JP2023137506A - ガス検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レトロリフレクタの中心と照射される赤外線の光軸とを容易に合わせることができるガス検出装置を提供することである。【解決手段】実施形態に係るガス検出装置は、赤外線を照射する第１の光源と、可視光を照射する第２の光源と、前記第１の光源から照射された前記赤外線を透過し、前記第２の光源から照射された前記可視光を反射するとともに、前記可視光の光軸を前記赤外線の光軸に合わせるローパスフィルタと、光軸が合わされた前記赤外線と前記可視光が入射する第１のレトロリフレクタと、前記第１のレトロリフレクタにより反射された前記赤外線を検出する第１の検出部と、前記第１のレトロリフレクタの中心に設けられた散乱体と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、ガス検出装置に関する。

分子は、赤外線に対して固有の吸収スペクトルを有する。そのため、対象となる空間に赤外線を照射すれば、空間にあるガスの検出や、空間にあるガスの成分分析を行うことができる。
例えば、検出対象となる空間を挟んで設けられた光源と、レトロリフレクタとを有するガス検出装置が提案されている。この様な装置においては、レトロリフレクタの中心と照射される赤外線の光軸とを合わせる様にしている。例えば、照射される赤外線の光軸と同軸の可視光をレトロリフレクタに照射して、レトロリフレクタの中心と、赤外線の光軸と同軸の可視光の光軸を合わせる様にしている。

ところが、レトロリフレクタに入射した可視光は、入射方向と平行で、かつ反対方向に反射される。そのため、レトロリフレクタの外側にいる作業者などが、レトロリフレクタにおける可視光の入射位置を視認するのが困難となっていた。
そこで、レトロリフレクタの中心と照射される赤外線の光軸とを容易に合わせることができるガス検出装置の開発が望まれていた。

特表２０２０－５０１１６１号公報

本発明が解決しようとする課題は、レトロリフレクタの中心と照射される赤外線の光軸とを容易に合わせることができるガス検出装置を提供することである。

実施形態に係るガス検出装置は、赤外線を照射する第１の光源と、可視光を照射する第２の光源と、前記第１の光源から照射された前記赤外線を透過し、前記第２の光源から照射された前記可視光を反射するとともに、前記可視光の光軸を前記赤外線の光軸に合わせるローパスフィルタと、光軸が合わされた前記赤外線と前記可視光が入射する第１のレトロリフレクタと、前記第１のレトロリフレクタにより反射された前記赤外線を検出する第１の検出部と、前記第１のレトロリフレクタの中心に設けられた散乱体と、を備えている。

本実施の形態に係るガス検出装置を例示するための模式図である。 他の実施形態に係るガス検出装置を例示するための模式図である。 他の実施形態に係るガス検出装置を例示するための模式図である。 他の実施形態に係るガス検出装置を例示するための模式図である。 他の実施形態に係るガス検出装置を例示するための模式図である。 他の実施形態に係るガス検出装置を例示するための模式図である。

以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図１は、本実施の形態に係るガス検出装置１を例示するための模式図である。
図１に示すように、ガス検出装置１は、例えば、第１の光源２、コリメータレンズ３、ビームスプリッタ４、レトロリフレクタ５（第１のレトロリフレクタの一例に相当する）、バンドパスフィルタ６、レンズ７、検出部８（第１の検出部の一例に相当する）、第２の光源９、ローパスフィルタ１０、および散乱体１１を有する。

第１の光源２は、光２１を照射する。光２１の波長は、例えば、０．７μｍ以上である。光２１は、例えば、赤外線である。分子は、赤外線に対して固有の吸収スペクトルを有するので、ガス１００に赤外線を照射すれば、ガス１００の検出やガス１００の成分の分析を行うことができる。

第１の光源２は、例えば、化合物半導体を含む量子カスケードレーザ（ＱＣＬ：Quantum Cascade Laser）である。量子カスケードレーザは、例えば、４μｍ～１６μｍの範囲で発振波長を変えることができる。そのため、第１の光源２を量子カスケードレーザとすれば、光２１の波長を変化させることができる。例えば、検出対象のガス１００の成分が予め分かっていれば、ガス１００に吸収されやすい波長を有する光２１を第１の光源２から照射することができる。この様にすれば、例えば、ガス漏れなどの検出精度を向上させることができる。例えば、検出対象のガス１００の成分を分析する場合には、ガス１００に照射される光２１の波長を振ることができる。この様にすれば、ガス１００の成分の分析精度を向上させることができる。

コリメータレンズ３は、第１の光源２とレトロリフレクタ５との間に設けられている。コリメータレンズ３には、第１の光源２から照射された光２１が入射する。コリメータレンズ３は、入射した光２１を平行光にする。光２１が平行光となれば、より遠くまで光２１を到達させることができる。そのため、ガス１００の遠隔検出や遠隔分析が可能となる。

ビームスプリッタ４は、コリメータレンズ３とレトロリフレクタ５との間に設けられている。ビームスプリッタ４は、コリメータレンズ３により平行光となった光２１を透過する。また、ビームスプリッタ４は、レトロリフレクタ５により反射された光２１を反射する。

後述するように、レトロリフレクタ５には、ローパスフィルタ１０により光軸が合わされた光２１と光９１が入射する。レトロリフレクタ５は、入射した光２１を、入射方向と平行で、かつ反対方向へ反射する。レトロリフレクタ５により反射された光２１は、ビームスプリッタ４に入射する。ビームスプリッタ４に入射した光２１は、ビームスプリッタ４により反射されて、検出部８に入射する。

バンドパスフィルタ６は、ビームスプリッタ４と検出部８との間に設けられている。バンドパスフィルタ６には、ビームスプリッタ４により反射された光２１が入射する。バンドパスフィルタ６は、光２１を透過し、光２１とは異なる波長の光をカットする。バンドパスフィルタ６は、例えば、外乱光によるノイズを抑制するために設けられている。

レンズ７は、バンドパスフィルタ６と検出部８との間に設けられている。レンズ７は、バンドパスフィルタ６を透過した光２１を集光する。レンズ７が設けられていれば、ガス１００の検出感度や分析精度を向上させることができる。

検出部８には、レンズ７により集光された光２１が入射する。検出部８は、レトロリフレクタ５により反射された光２１を検出する。前述した様に、分子は、赤外線に対して固有の吸収スペクトルを有する。そのため、第１の光源２から照射された光２１がガス１００に入射すると、ガス１００の成分に応じて所定の波長の赤外線が吸収される。したがって、ガス１００を透過し、レトロリフレクタ５により反射された光２１を検出部８により検出すれば、ガス１００の存在（例えば、ガス漏れ）を検出したり、ガス１００の成分を分析したりすることができる。

検出部８は、例えば、赤外線を検出するセンサとすることができる。検出部８は、例えば、水銀(Hg)・カドニウム(Cd)・テルル(Te)を用いた半導体センサであるＭＣＴセンサとすることができる。

ここで、前述した様に、赤外線である光２１がガス１００に照射されると、光２１の一部がガス１００に吸収される。そのため、検出部８により検出される受光量（受光信号）が減少する。ところが、第１の光源２が故障などして、第１の光源２から照射される光２１の光量が減少した場合であっても、検出部８により検出される受光量が減少する。そのため、検出部８により検出された受光量の減少が、ガス１００、および第１の光源２のいずれに起因するものなのかが区別できない場合がある。

この様な場合には、第１の光源２を制御して、ガス１００の光吸収帯域から外れる領域にまで光２１の波長を変調させる。そして、検出部８により検出された、光吸収帯域における受光量と、光吸収帯域から外れる領域における受光量とを比較することで、検出部８により検出された受光量の減少が、ガス１００、および第１の光源２のいずれに起因するものなのかを判別することができる。
この様にすれば、誤検出を抑制することができる。

なお、第１の光源２から照射される光２１の光量をモニタリングし、それを検出部８により検出される受光量と比較することで、検出部８により検出された受光量の減少が、ガス１００、および第１の光源２のいずれに起因するものなのかを判別することもできる。

この様にすれば、光２１の波長を変調させなくても誤検出を抑制することができる。
なお、第１の光源２から照射される光２１の光量のモニタリングについては後述する（図２を参照）。

ここで、レトロリフレクタ５による光２１の反射の効率を向上させるためには、レトロリフレクタ５の中心と、平行光となった光２１の光軸とを合わせることが好ましい。しかしながら、光２１は赤外線であるため、伝搬中に発散しやすい。そのため、第１の光源２から離れた位置に設けられたレトロリフレクタ５においては、光２１のスポット径が比較的大きくなる。また、光２１は赤外線であるため視認することができない。そのため、レトロリフレクタ５の中心と、光２１の光軸とを合わせるのが困難となる。

そこで、ガス検出装置１には、第２の光源９、ローパスフィルタ１０、および散乱体１１が設けられている。
第２の光源９は、光９１を照射する。光９１は、例えば、可視光である。光９１のスポット径は、光２１のスポット径よりも小さい。可視光である光９１は、レトロリフレクタ５の中心と、光２１の光軸とを合わせる際に用いられるガイド光とすることができる。第２の光源９は、例えば、可視光半導体レーザである。第２の光源９が可視光半導体レーザであれば、小さなスポット径の光９１を遠くまで到達させることができる。

ローパスフィルタ１０は、ビームスプリッタ４とレトロリフレクタ５との間に設けられている。ローパスフィルタ１０は、光９１よりも波長が長い光２１を透過し、光９１を反射する。第２の光源９から照射され、ローパスフィルタ１０により反射された光９１は、レトロリフレクタ５に入射する。前述した様に、光９１はガイド光である。そのため、ローパスフィルタ１０により反射された光９１の光軸を、光２１の光軸と合わせる様にする。例えば、赤外線センサーシールなどを用いて、光２１のスポットを可視化し、光９１が、可視化された光２１のスポットの中心に照射されるようにする。この様にすれば、ローパスフィルタ１０により反射された光９１の光軸を、光２１の光軸と合わせることができる。この場合、光９１の照射位置は、ローパスフィルタ１０の傾斜角度を変えることで調整することができる。
すなわち、ローパスフィルタ１０は、第１の光源２から照射された光２１を透過し、第２の光源９から照射された光９１を反射するとともに、光９１の光軸を光２１の光軸に合わせることができる。

光９１の光軸が、光２１の光軸と合っていれば、例えば、レトロリフレクタ５の位置を移動させて、光９１がレトロリフレクタ５の中心に入射するようにすればよい。この様にすれば、レトロリフレクタ５の中心と、光２１の光軸とを合わせることができる。

ところが、レトロリフレクタ５は、入射した光９１を、入射方向と平行で、かつ反対方向へ反射する。そのため、レトロリフレクタ５により反射された光９１が、レトロリフレクタ５の位置調整を行う作業者に向かわなくなる。その結果、作業者がレトロリフレクタ５における光９１の入射位置を視認することが難しくなるので、レトロリフレクタ５の中心と、光２１の光軸とを合わせるのが困難となる。

そこで、レトロリフレクタ５には、散乱体１１が設けられている。散乱体１１は、光９１の入射方向から見て、レトロリフレクタ５の中心と重なる位置に設けることができる。散乱体１１は、入射した光９１を散乱させる。例えば、散乱体１１は、入射した光９１をレイリー散乱させる。例えば、散乱体１１は、光９１の波長よりも小さい粒子を複数含むことができる。散乱体１１に含まれる粒子は、例えば、酸化チタンの粒子などとすることができる。また、散乱体１１は、例えば、入射した光９１を乱反射させることもできる。この場合、散乱体１１は、例えば、紙などから形成されたり、硫酸バリウムなどを含んでいたりすることができる。

散乱体１１に入射した光９１の一部は、光９１の入射方向と交差する方向に照射される。そのため、作業者がレトロリフレクタ５における光９１の入射位置を視認することが容易となる。

なお、散乱体１１に入射した光２１も散乱するので、散乱体１１に入射した光２１は検出部８により検出することができない。しかしながら、光９１のスポット径は小さいので、散乱体１１の寸法を小さくすることができる。そのため、散乱体１１を設けることで検出できなくなる光２１の光量を抑制することができ、ひいては検出感度や分析精度に与える影響を抑制することができる。

以上に説明した様に、本実施の形態に係るガス検出装置１とすれば、レトロリフレクタ５の中心と照射される光２１の光軸とを容易に合わせることができる。そのため、レトロリフレクタ５に入射した光２１を効率的に反射することができ、ひいては検出感度や分析精度の向上を図ることができる。

次に、第１の光源２から照射される光２１の光量のモニタリングについて説明する。
図２は、他の実施形態に係るガス検出装置１ａを例示するための模式図である。
ガス検出装置１ａは、前述したガス検出装置１に、光２１の光量のモニタリング機能を追加したものである。

図２に示すように、ガス検出装置１ａは、例えば、第１の光源２、コリメータレンズ３、ビームスプリッタ４、レトロリフレクタ５、バンドパスフィルタ６、レンズ７、検出部８、第２の光源９、ローパスフィルタ１０、散乱体１１、レンズ１２、および検出部１３を有する。

前述した様に、ビームスプリッタ４は、コリメータレンズ３により平行光となった光２１を透過する。この際、ビームスプリッタ４に入射した光２１の一部は、ビームスプリッタ４により反射される。そのため、ビームスプリッタ４により反射された光２１を検出すれば、光２１の光量のモニタリングを行うことができる。

レンズ１２は、ビームスプリッタ４により反射された光２１を集光する。レンズ１２が設けられていれば、検出部１３における検出感度や検出精度を向上させることができる。

検出部１３には、レンズ１２により集光された光２１が入射する。検出部１３は、例えば、赤外線を検出するセンサとすることができる。検出部１３は、例えば、ＭＣＴセンサとすることができる。

光２１の光量のモニタリングは、例えば、以下の様にすることができる。
検出部１３からの受光信号（受光量）と、検出部８からの受光信号（受光量）との比は、第１の光源２から照射される光２１の光量が変化しても変わらず、光２１がガス１００に照射された場合（光２１の一部がガス１００に吸収された場合）に変化する。

そのため、検出部８により検出された受光量の減少が、ガス１００、および第１の光源２のいずれに起因するものなのかを判別することができる。
また、ガス検出装置１ａとすれば、前述したガス検出装置１と同様に、レトロリフレクタ５の中心と照射される光２１の光軸とを容易に合わせることができる。

図３は、他の実施形態に係るガス検出装置１ｂを例示するための模式図である。
図３に示すように、ガス検出装置１ｂは、例えば、第１の光源２、コリメータレンズ３、ビームスプリッタ４、レトロリフレクタ５ａ（第２のレトロリフレクタの一例に相当する）、バンドパスフィルタ６、レンズ７、検出部８（第２の検出部の一例に相当する）、第２の光源９、ローパスフィルタ１０、および検出部１４（第３の検出部の一例に相当する）を有する。

前述したレトロリフレクタ５と同様に、レトロリフレクタ５ａには、光軸が合わされた光２１と光９１が入射する。レトロリフレクタ５ａは、入射した光２１を、入射方向と平行で、かつ反対方向へ反射する。
検出部８は、レトロリフレクタ５ａにより反射された光２１を検出する。

また、レトロリフレクタ５ａの中心には、孔５ａ１が設けられている。レトロリフレクタ５ａの、光２１の入射側とは反対側には検出部１４が設けられている。そのため、第２の光源９から照射された光９１が、孔５ａ１を介して検出部１４に入射できるようになっている。

検出部１４は、レトロリフレクタ５ａの孔５ａ１を介して光９１を検出する。検出部１４は、例えば、可視光である光９１を検出するセンサとすることができる。検出部１４には、送信部１４ａを接続することもできる。送信部１４ａは、検出部１４からの受光信号を外部の機器などに向けて送信する。例えば、送信部１４ａは、光信号や、Ｗｉ－Ｆｉ（短距離無線通信）などにより、受光信号を外部の機器などに向けて送信する。

前述した様に、孔５ａ１はレトロリフレクタ５ａの中心に設けられている。そのため、作業者が検出部１４からの受光信号に基づいて、レトロリフレクタ５ａの位置を調整することで、レトロリフレクタ５ａの中心と、光２１の光軸とを合わせることができる。

また、例えば、レトロリフレクタ５ａの位置を調整する移動装置１８を設けることもできる。移動装置１８は、光軸が合わされた光２１と光９１に対する、レトロリフレクタ５ａの位置を移動させる。例えば、レトロリフレクタ５ａに二軸ロボットなどの移動装置１８を設け、検出部１４からの受光信号に基づいて移動装置１８を制御することで、レトロリフレクタ５ａの中心と光９１の光軸、ひいてはレトロリフレクタ５ａの中心と光２１の光軸とを合わせることができる。この様にすれば、レトロリフレクタ５ａの中心と光２１の光軸とを自動制御により合わせることができる。

本実施の形態に係るガス検出装置１ｂとすれば、レトロリフレクタ５ａの中心と照射される光２１の光軸とを容易に合わせることができる。そのため、レトロリフレクタ５ａに入射した光２１を効率的に反射することができ、ひいては検出感度や分析精度の向上を図ることができる。

図４は、他の実施形態に係るガス検出装置１ｃを例示するための模式図である。
図４に示すように、ガス検出装置１ｃは、例えば、第１の光源２、コリメータレンズ３、ビームスプリッタ４、レトロリフレクタ５ａ、バンドパスフィルタ６、レンズ７、検出部８、第２の光源９、ローパスフィルタ１０、検出部１４、および照射位置調整部１５を有する。

照射位置調整部１５は、レトロリフレクタ５ａにおける、光軸が合わされた光２１と光９１の照射位置を制御する。
照射位置調整部１５は、例えば、ミラー１５ａ、駆動部１５ｂ、および制御部１５ｃを有する。

ミラー１５ａは、一対設けることができる。一対のミラー１５ａは、揺動可能に設けられている。例えば、一方のミラー１５ａは、水平方向において、光２１および光９１の照射方向を調整するために設けられる。他方のラー１５ａは、垂直光２１および光９１の照射方向を調整するために設けられる。

駆動部１５ｂは、一対のミラー１５ａの角度を変化させることで、光２１および光９１の反射角、ひいてはレトロリフレクタ５ａにおける光２１および光９１の照射位置を変化させる。駆動部１５ｂは、例えば、サーボモータなどの制御モータを備えたものとすることができる。

制御部１５ｃは、送信部１４ａを介して入力された検出部１４からの受光信号に基づいて、駆動部１５ｂを制御する。例えば、制御部１５ｃは、検出部１４からの受光信号に基づいて、一対のミラー１５ａの角度を変化させることで、レトロリフレクタ５ａにおける光２１および光９１の照射位置を変化させる。

また、レトロリフレクタ５ａに二軸ロボットなどの移動装置１８をさらに設けることもできる。この場合、制御部１５ｃは、照射位置調整部１５および移動装置１８の少なくともいずれかを制御することで、レトロリフレクタ５ａの中心と光９１の光軸、ひいてはレトロリフレクタ５ａの中心と光２１の光軸とを合わせることができる。

本実施の形態に係るガス検出装置１ｃとすれば、レトロリフレクタ５ａの中心と光２１の光軸とを自動制御により合わせることができる。そのため、位置合わせ作業の効率化を図ることができる。

以上に例示をしたガス検出装置１～１ｃにおいては、ビームスプリッタ４を用いて、レトロリフレクタ５（５ａ）により反射された光２１を検出部８に導いている。この場合、レトロリフレクタ５（５ａ）により反射された光２１は平行光であるが、光２１は赤外線であるため、伝搬中に発散しやすい。そのため、例えば、光２１の光軸方向において、検出部８とレトロリフレクタ５（５ａ）との間の距離が長い場合などにおいては、発散した光２１を検出部８により検出することができる。
なお、以下においては、散乱体１１が設けられるレトロリフレクタ５の場合を説明するが、検出部１４が設けられるレトロリフレクタ５ａの場合も同様である。

図５は、他の実施形態に係るガス検出装置１ｄを例示するための模式図である。
図５に示すように、ガス検出装置１ｄは、例えば、第１の光源２、コリメータレンズ３、レトロリフレクタ５、バンドパスフィルタ６、レンズ７、検出部８、第２の光源９、ローパスフィルタ１０、散乱体１１、およびミラー１６を有する。

ミラー１６には、レトロリフレクタ５により反射された光２１の一部が入射する。ミラー１６に入射した光２１は、ミラー１６により反射される。ミラー１６により反射された光２１は、バンドパスフィルタ６およびレンズ７を介して、検出部８に入射する。
この様にすれば、ビームスプリッタ４を省くことができる。
また、ガス検出装置１ｄとすれば、前述したガス検出装置１と同様に、レトロリフレクタ５の中心と照射される光２１の光軸とを容易に合わせることができる。

図６は、他の実施形態に係るガス検出装置１ｅを例示するための模式図である。
図６に示すように、ガス検出装置１ｅは、例えば、第１の光源２、コリメータレンズ３、レトロリフレクタ５、バンドパスフィルタ６、検出部８、第２の光源９、ローパスフィルタ１０、散乱体１１、および放物面鏡１７を有する。

放物面鏡１７は、孔１７ａを有する。第１の光源２から照射された光２１は、コリメータレンズ３により平行光となる。平行光となった光２１は、孔１７ａを介して、レトロリフレクタ５に照射される。レトロリフレクタ５により反射された光２１は、放物面鏡１７の反射面１７ｂで反射される。光２１は、反射面１７ｂで反射されることにより集光される。集光された光２１は、検出部８に入射する。

この様にすれば、ビームスプリッタ４およびレンズ７を省くことができる。
また、ガス検出装置１ｅとすれば、前述したガス検出装置１と同様に、レトロリフレクタ５の中心と照射される光２１の光軸とを容易に合わせることができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１ ガス検出装置、１ａ～１ｅ ガス検出装置、２ 第１の光源、３ コリメータレンズ、４ ビームスプリッタ、５ レトロリフレクタ、５ａ レトロリフレクタ、５ａ１ 孔、８ 検出部、９ 第２の光源、１０ ローパスフィルタ、１１ 散乱体、１３ 検出部、１４ 検出部、１５ 照射位置調整部、１６ ミラー、１７ 放物面鏡、１７ａ 孔、１７ｂ 反射面、１８ 移動装置

Claims (6)

1. 赤外線を照射する第１の光源と、
   可視光を照射する第２の光源と、
   前記第１の光源から照射された前記赤外線を透過し、前記第２の光源から照射された前記可視光を反射するとともに、前記可視光の光軸を前記赤外線の光軸に合わせるローパスフィルタと、
   光軸が合わされた前記赤外線と前記可視光が入射する第１のレトロリフレクタと、
   前記第１のレトロリフレクタにより反射された前記赤外線を検出する第１の検出部と、
   前記第１のレトロリフレクタの中心に設けられた散乱体と、
   を備えたガス検出装置。
2. 前記散乱体に入射した前記可視光の一部は、前記可視光の入射方向と交差する方向に照射される請求項１記載のガス検出装置。
3. 前記散乱体は、前記可視光の入射方向から見て、前記第１のレトロリフレクタの中心と重なる位置に設けられている請求項１または２に記載のガス検出装置。
4. 赤外線を照射する第１の光源と、
   可視光を照射する第２の光源と、
   前記第１の光源から照射された前記赤外線を透過し、前記第２の光源から照射された前記可視光を反射するとともに、前記可視光の光軸を前記赤外線の光軸に合わせるローパスフィルタと、
   光軸が合わされた前記赤外線と前記可視光が入射し、中心に孔を有する第２のレトロリフレクタと、
   前記第２のレトロリフレクタにより反射された前記赤外線を検出する第２の検出部と、
   前記第２のレトロリフレクタの、前記赤外線の入射側とは反対側に設けられ、前記第２のレトロリフレクタの前記孔を介して前記可視光を検出する第３の検出部と、
   を備えたガス検出装置。
5. 前記２のレトロリフレクタにおける、前記光軸が合わされた前記赤外線と前記可視光の照射位置を制御する照射位置調整部をさらに備えた請求項４記載のガス検出装置。
6. 前記光軸が合わされた前記赤外線と前記可視光に対する、前記２のレトロリフレクタの位置を移動させる移動装置をさらに備えた請求項４または５に記載のガス検出装置。

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