JP4898234B2 - マグネトロン - Google Patents

Description

本発明はマイクロ波加熱機器などに用いるマグネトロンに関する。

高周波を出力するマグネトロン、たとえば食品の調理や解凍などに使用する電子レンジ用マグネトロンは、高周波を生成する高周波生成部および高周波を外部に取り出すアンテナ、アンテナを囲み真空容器の一部を形成する筒状の金属容器などから構成されている。

電子レンジ用マグネトロンはたとえば２４５０Ｍｚ帯の周波数をもつマイクロ波を発生する。このとき、基本波成分と同時に高調波成分も発生する。高調波成分が外部に放出されると、高調波成分は基本波成分と一緒に電子レンジなどの加熱空間に伝搬される。高調波成分は波長が短くシールドが困難なため外部に漏洩し、無線障害などを引き起こす場合がある。そのため、漏洩の限度値が法律で規定されている。

従来の電子レンジ用マグネトロンは、高調波成分の発生を抑えるために、たとえば出力部にλ／４型チョーク構造を配置している（特許文献１〜３参照）。λ／４型チョーク構造は、たとえば一端が短絡し他端が開放のいわゆるチョーク溝が設けられている。

ここで、従来のマグネトロンについて、電子レンジ用マグネトロンを例にとり、その一部を抜き出した図２の断面図を参照して説明する。

高周波を生成する高周波生成部３１は陽極円筒３２などから構成されている。陽極円筒３２の上下の開口部分に、それぞれ漏斗状のポールピース３３が固着されている。図２は、図面の関係から図示上方のポールピース３３のみが示されている。陽極円筒３２の中心たとえば管軸ｍ上に螺旋状の陰極３４が配置されている。陰極３４の両端はエンドハット３５に固定されている。図２は、図面の関係から陰極３４の上端を固定するエンドハット３５のみが示されている。

陽極円筒３２から陰極３４に向って複数のベイン３６が放射状に設けられている。複数のベイン３６は陽極円筒３２の円周方向に一定間隔に設けられている。ベイン３６の一端は陽極円筒３２の内面に接合され、他端は陰極３４の近くまで延びて遊端になっている。各ベイン３６の上辺部分および下辺部分は、径が相違する一対の大小のストラップリング３７ａ、３７ｂによって１つおきに連結されている。図２は、図面の関係からベイン３６の上辺部分を連結するストラップリング３７ａ、３７ｂのみが示されている。

ポールピース３３の出力側に筒状の金属容器３８が固着されている。金属容器３８の下端、たとえば外側に広がる環状の第１鍔部３８ａの先端が陽極円筒３２の上端に接合されている。

金属容器３８の内側に第１筒状体３９が設けられている。第１筒状体３９と金属容器３８は環状のチョーク溝を形成し、たとえば第５次高調波成分を抑制する第１のλ／４型チョーク構造Ｃ１を構成している。

金属容器３８の上端３８ｂに筒状セラミック４０が接合され、筒状セラミック４０の上端に排気管４１が接合されている。排気管４１は全体がキャップ４２で覆われている。

排気管４１は、たとえば二重円筒部４１ａおよび封止部４１ｂなどから構成されている。二重円筒部４１ａは、たとえば第４次高調波成分を抑制する第２のλ／４型チョーク構造Ｃ２を構成している。封止部４１ｂは、たとえば第３次高調波成分を抑制する第３のλ／４型チョーク構造Ｃ３を構成している。

金属容器３８や筒状セラミック４０、排気管４１の内側に、高周波生成部３１で生成された高周波を取り出すアンテナ４３が設けられている。アンテナ４３の一端は１つのベイン３６に連結し、他端はポールピース３３の開口３３ａを通り、さらに金属容器３８の内側を延び、排気管４１に挟まれ固定されている。

上記した構成において、高周波生成部３１で生成された高周波はアンテナ４３によって外部に取り出される。このとき、基本波成分と同時に生成する高調波成分、たとえば第３次高調波成分（７．３５ＧＨｚ）〜第５次高調波成分（１２．２５ＧＨｚ）は第１〜第３のλ／４型チョーク構造Ｃ１〜Ｃ３で抑制される。
特許第９８１６１１号公報 特許第２１２８８２７号公報 特開昭６３−２６４８４８号公報

従来のマグネトロンたとえば電子レンジ用マグネトロンは、出力部に複数のλ／４型チョーク構造を設け、高調波成分を抑制している。λ／４型チョーク構造は、たとえば内側円筒および外側円筒からなる同軸の二重円筒構造を有し、内側円筒と外側円筒との間などに一端が短絡し他端が開放のいわゆるチョーク溝が形成されている。チョーク溝の長さ、たとえばチョーク溝の管軸方向における寸法は、通常、抑制する高調波成分の波長の約４分の１に設定される。

λ／４型チョーク構造はチョーク溝の開放端に電界が集中し容量成分が発生する。そのため、周波数が高くなると浮遊容量の影響が大きくなり、理論上の４分の１波長よりも短い寸法で高調波抑制効果が得られることが知られている。

また、チョーク溝の内寸、つまりチョーク溝の一方の開放端からこれと反対側に位置する他方の開放端までその内面に沿って測った長さ（チョーク溝の沿面距離）が該当高調波成分の半波長に近い寸法になると、高調波抑制効果が大きくなることも経験上知られている。

たとえば第５次高調波成分（１２．２５ＧＨｚ）の４分の１波長は約６．１２ｍｍとなっている。しかし、浮遊容量の影響やチョーク溝の内寸に関する経験則により、実際のチョーク溝の長さは概ね５ｍｍ前後、たとえば４〜６ｍｍになっている。

ところで、λ／４型チョーク構造は内径が小さくなると、アンテナとの距離が短くなり高調波抑制効果が大きくなる。しかし、内径が小さいと製造性が悪化する。また、アンテナとチョーク構造部材の筒状体との間などにマルチパクター放電が発生する可能性が高くなる。アンテナとの結合度が強くなり、電子レンジの加熱機器などのインピーダンスや電源、負荷条件などの影響が大きく、発振不安定の領域が広がるという問題もある。

また、従来の電子レンジ用マグネトロンに使用するλ／４型チョーク構造は、アンテナを内導体とし金属容器を外導体とした同軸線路の基本モード、いわゆるＴＥＭモードによる伝搬を想定している。チョーク溝の寸法も自由空間波長の４分の１波長をベースにしている。しかし同軸線路として機能する内導体や外導体の径の大きさによっては、高調波成分の高次モードによる伝搬が可能になる。

たとえば、同軸線路を構成する内導体を断面にした場合に内導体の外周面が形成する円の半径（内導体外径の１／２）をａ、外導体を断面にした場合に外導体の内周面が形成する円の半径（外導体内径の１／２）をｂ、ＴＥn1モードのカットオフ波長をλcとすると、式（１）の関係がある。

λc＝π（ａ＋ｂ）／ｎ…（１）
式（１）から、ＴＥ11モードの場合、π（ａ＋ｂ）の値がλcよりも大きくなると高次モードの伝搬が可能になる。たとえば、内導体の外径が２．５ｍｍの場合、外導体の内径が１３．０８ｍｍ以上になると、第５次高調波成分は高次モード（ＴＥ11モード）での伝搬が可能になる。したがって、製造性の悪化を防止するために、あるいは発振を安定化させるために、λ／４型チョーク構造の内径を大きくすると、ＴＥ11モードの伝搬が可能になる。

高次モードたとえばＴＥ11モードの伝搬が可能になると、該当高調波はＴＥＭモードの負荷インピーダンスとＴＥ11モードの負荷インピーダンスの低い方、つまり伝搬し易い方を主に選択する。

従来のλ／４型チョーク構造は、チョーク溝の寸法を自由空間波長の４分の１波長をベースにして決めている。また、同じ高調波成分でも基本モードと高次モードとで管内波長が相違する。したがって、従来の電子レンジ用マグネトロンに使用されているλ／４型チョーク構造は、基本モードで伝搬する高調波成分を抑制できても、その高次モードは波長が相違するため抑制が不十分になり、該当高調波成分が漏洩する。

また、従来のλ／４型チョーク構造は、基本波の整数倍の周波数を有する第Ｎ次高調波成分（以後、通常の高調波成分という）を抑制するように寸法などが設定されている。実際は、第３次高調波成分と第４次高調波成分の各周波数に挟まれた帯域など、隣接する２つの通常の高調波成分に挟まれた帯域の高調波成分 （以後、中間帯域の高調波成分という）も発生する。たとえば中間帯域のほぼ中央に位置する第３．５次高調波成分や第４．５次高調波成分などの不要輻射成分は、通常の高調波成分と同等か、それ以上の高いレベルに達する場合がある。

従来のλ／４型チョーク構造は、中間帯域の高調波成分を十分に抑制できず、中間帯域の高調波成分が漏洩するという問題がある。また、中間帯域の高調波成分を抑制するために、中間帯域用のλ／４型チョーク構造を別に設けると、コストが増大し、あるいは大型化するという問題がある。

本発明は、上記した欠点を解決し、高次モードで伝搬する高調波成分を抑制し、あるいは、中間帯域の高調波成分を抑制するλ／４型チョーク構造を有するマグネトロンを提供することを目的とする。

本発明は、高周波を生成する高周波生成部と、前記高周波を取り出すアンテナと、このアンテナを囲む筒状金属容器と、この金属容器内にλ／４型チョーク構造のチョーク溝を形成する筒状体とを具備したマグネトロンにおいて、前記チョーク溝の長さを、前記金属容器内を基本モードで伝搬する第１の高調波成分および前記第１の高調波成分と周波数が相違し前記金属容器内を高次モードで伝搬する第２の高調波成分の両方を抑制する大きさに設定したことを特徴とする。

本発明によれば、基本モードで伝搬する高調波成分を抑制するλ／４型チョーク構造を設けるとともに、同じ高調波成分の高次モードでの伝搬を抑制するλ／４型チョーク構造を設けている。したがって、１つの高調波成分が基本モードおよび高次モードの両方で伝搬可能な場合でも確実に抑制でき、高調波成分の漏洩を防止できる。

また、基本モードで伝搬する第１の高調波成分とこれと周波数が相違し高次モードで伝搬する第２の高調波成分を１つのλ／４型チョーク構造で同時に抑制する。したがって、伝搬モードの相違する複数の高調波成分を共通のλ／４型チョーク構造で抑制でき、コストを増大させることなく高調波成分の漏洩を防止できる。

本発明の実施形態について、電子レンジ用マグネトロンを例にとり図１の断面図を参照して説明する。

高周波を生成する高周波生成部１１は陽極円筒１２などから構成されている。陽極円筒１２の開口部分、たとえば図示上方の出力側および図示下方の入力側の開口部分にそれぞれ漏斗状のポールピース１３が固着されている。図１は、図面の関係から出力側のポールピース１３のみが示されている。陽極円筒１２の中心たとえば管軸ｍ上に螺旋状の陰極１４が配置されている。

陰極１４の図示上下の両端はエンドハット１５に固定されている。図１は、図面の関係から陰極１４の上端、たとえば出力側を固定するエンドハット１５のみが示されている。

陽極円筒１２から陰極１４に向って複数のベイン１６が放射状に設けられている。ベイン１６はたとえば矩形状で、陽極円筒１２の円周方向に一定間隔に設けられている。ベイン１６の一端は陽極円筒１２の内面に接合され、他端は陰極１４の近くまで延びて遊端になっている。ベイン１６の上辺部分および下辺部分に沿って径が相違する一対の大小のストラップリング１７ａ、１７ｂが配置されている。各ベイン１６はストラップリング１７ａあるいはストラップリング１７ｂによって１つおきに連結されている。図１は、図面の関係からベイン１６の上辺部分を連結するストラップリング１７ａ、１７ｂのみが示されている。

ポールピース１３の出力側に筒状の金属容器１８が固着されている。金属容器１８は、たとえば図示下端に位置し外側に広がる環状の第１鍔部１８ａおよび管軸ｍと平行に延びる筒状部１８ｂ、筒状部１８ｂの上端から内側に延びる環状の第２鍔部１８ｃ、第２鍔部１８ｃから管軸ｍ方向に折れ曲がった屈曲部１８ｄなどから構成されている。第１鍔部１８ａの端縁は陽極円筒１２の上端に接合されている。

金属容器１８の内側、たとえば筒状部１８ｂの内側に第１筒状体１９が接合されている。第１筒状体１９はたとえば管軸ｍと平行に延びる筒状部１９ａおよび筒状部１９ａの上端から管軸に対し垂直に外側に延びる環状の鍔部１９ｂなどを有し、その断面はほぼ逆Ｌ字状をしている。筒状部１９ａは金属容器１８の筒状部１８ｂと同軸的に配置され、鍔部１９ｂの環状端面が金属容器１８の内面に接合されている。

金属容器１８および第１筒状体１９は、図示上方の一端が短絡し図示下方の他端が開放の環状チョーク溝を形成し、第１のλ／４型チョーク構造Ｃ１を構成している。第１のλ／４型チョーク構造Ｃ１を形成するチョーク溝の管軸ｍ方向における長さ、たとえば第１筒状体１９の筒状部１９ａと金属容器１８が対向する長さは、後述するように、基本波の４．５倍の周波数を有して基本モードで伝搬する第４．５次高調波成分と基本波の５倍の周波数を有して高次モードで伝搬する第５次高調波成分とを抑制する大きさに設定されている。

金属容器１８の内側、たとえば第２鍔部１８ｃの図示下面に環状の第２筒状体２０が接合されている。第２筒状体２０は筒状部２０ａおよび鍔部２０ｂなどから形成されている。第１筒状体１９と寸法が相違するものの形状はほぼ同じで、その断面はほぼ逆Ｌ字状をしている。

金属容器１８と第２筒状体２０は、第１のλ／４型チョーク構造Ｃ１の場合と同様に環状のチョーク溝を形成し、たとえば基本波の５倍の周波数を有して基本モードで伝搬する第５次高調波成分を抑制する第２のλ／４型チョーク構造Ｃ２を構成している。

金属容器１８の上端、たとえば屈曲部１８ｄの先端に筒状セラミック２１が接合されている。筒状セラミック２１の上端に排気管２２が接合され、排気管２２は全体がキャップ２３で覆われている。

排気管２２は、たとえば二重円筒部２２ａおよび封止部２２ｂなどから構成されている。二重円筒部２２ａは内円筒部ａ１および外円筒部ａ２などから構成されている。内円筒部ａ１と外円筒部ａ２との間に環状のチョーク溝が形成され、たとえば基本波の４倍の周波数を有する第４次高調波成分を抑制する第３のλ／４型チョーク構造Ｃ３を構成している。内円筒部ａ１および封止部２２ｂはその内側に連続する空間を形成している。

封止部２２ｂはたとえば中央が上方に突出し、封止部２２ｂおよび内円筒部ａ１の内側空間は、基本波の３倍の周波数を有する第３次高調波成分を抑制する第４のλ／４型チョーク構造Ｃ４を構成している。

また、金属容器１８や筒状セラミック２１、排気管２２などの内側に、高周波生成部１１で生成された高周波を取り出すアンテナ２４が設けられている。アンテナ２４の一端は１つのベイン１６に連結し、他端はポールピース１３の開口１３ａを通り、さらに金属容器１８の内側を延び、排気管２２の封止部２２ｂに挟まれ固定されている。

ここで、上記した第１および第２のλ／４型チョーク構造Ｃ１、Ｃ２について説明する。以下の説明では、金属容器１８の筒状部１８ｂの内径φ１が１９ｍｍ、アンテナ２４の外径が２．５ｍｍ、第２筒状体２０の筒状部２０ａの内径φ２が１４ｍｍ、板厚が０．３ｍｍとする。

そして、第１のλ／４型チョーク構造Ｃ１は第４．５高調波のＴＥＭモードおよび第５高調波のＴＥ11モードを抑制できるように、そのチョーク溝の管軸ｍ方向における寸法を設定する。たとえば金属容器１８の筒状部１８ｂと第１筒状体１９の筒状部１９ａが平行して対向する部分の長さが、第４．５次高調波のＴＥＭモードおよび第５次高調波のＴＥ11モードそれぞれの管内波長の４分の１と等しくなるように、第１筒状体１９の筒状部１９ａの外径φ３を決める。

一般に、管内波長（λg）は次の式（２）で求められる。

第４．５次高調波が１１ＧＨｚであるとすると、そのＴＥＭモードの管内波長は２７．２５４ｍｍとなる。そこで、式（１）および式（２）を用いて、第５次高調波のＴＥ11モードの管内波長が２７．２５４ｍｍとなるように、第１筒状体１９の筒状部１９ａの外径φ３を求める。

式（２）で、λg＝２７．２５４ｍｍ、λn（第５次高調波の自由空間波長）＝２４．４７３ｍｍを代入すれば、λc＝５５．６１ｍｍが求まる。

次に、式（１）にλc＝５５．６１ｍｍを代入すると、５５．６１＝π（ａ＋ｂ）となる。ｂ＝１９／２＝９．５であるため、ａ＝８．２が求まる。

ここで、ａはチョーク溝部分の筒状体１９外周面の半径、つまり第１筒状体１９の管軸ｍに平行な筒状部１９ａを断面にした場合にその筒状部１９ａの外周面が形成する円の半径、ｂはチョーク溝部分の筒状部１８ｂの内周面の半径、つまり金属容器１８の管軸に平行な筒状部１８ｂを断面にした場合にその筒状部１８ｂの内周面が形成する円の半径である。

したがって、第１筒状体１９の筒状部１９ａの外径φ３は１６．４ｍｍ（８．２×２）、内径φ４は板厚を０．３ｍｍとすると１５．８ｍｍとなる。

金属容器１８の筒状部１８ｂおよび第１筒状体１９の筒状部１９ａの径を上記の寸法に設定すれば、第４．５次高調波のＴＥＭモードおよび第５次高調波のＴＥ11モードの管内波長が同じになる。したがって、第１のλ／４型チョーク構造Ｃ１によって第４．５次高調波のＴＥＭモードおよび第５次高調波のＴＥ11モードを抑制できる。

第４．５次高調波の４分の１波長は６．８１３ｍｍ（２７．２５４／４ｍｍ）となっている。しかし、チョーク溝の内寸（沿面距離）が半波長（１３．６２６ｍｍ）になるようにすれば、実際のチョーク溝の管軸方向における長さは、約６．２ｍｍ前後になる。

第２筒状体２０は、第５高調波のＴＥＭモードを抑制するように、第２筒状体２０の筒状部２０ａの管軸ｍ方向における寸法を基本モード（ＴＥＭモード）の管内波長の４分の１に設定する。基本モードの管内波長は自由空間波長と等しく、４分の１波長は６．１２ｍｍとなる。この場合も、チョーク溝の内寸（沿面距離）を半波長の１２．２４ｍｍにすれば、実際のチョーク溝の長さは約５ｍｍ前後となる。

上記の実施形態は、第１および第２のλ／４型チョーク構造を用いて、基本モードおよび高次モードで伝搬する第５次高調波成分を抑制する場合で説明している。しかし、λ／４型チョーク構造の寸法を適宜設定すれば、基本モードおよび高次モードで伝搬する他の次数の高調波成分についても抑制できる。

また、金属容器と筒状体を別に形成して両者を接合している。しかし、金属容器と筒状体は一体に形成することもできる。

上記した構成によれば、１つの高調波成分が基本モードで伝搬する場合も、また高次モードで伝搬する場合も抑制でき、高調波成分の外部への漏洩を防止できる。また、中間帯域の高調波成分も抑制でき、高調波成分の外部への不要輻射を確実に防止できる。

中間帯域の高調波成分は、通常、中間帯域の中央部分（たとえば２つの高調波成分に挟まれた中間帯域を１０等分した場合に低い周波数の方から数えて４〜６の範囲）に最大値がある。したがって、中間帯域の中央部分の高調波成分、たとえば第３．５次高調波成分や第４．５次高調波成分などを抑制するようにすれば、外部への漏洩防止効果が大きくなる。

また、１つのλ／４型チョーク構造を用いて、通常の高調波成分と中間帯域の高調波成分を同時に抑制できる。したがってコストを増大させることなく、高調波成分の外部への漏洩を減少でき、あるいは防止できる。

なお、通常の高調波成分と中間帯域の高調波成分を同時に抑制する場合、筒状体の径の変更で管内波長を調整できる範囲に限界がある。そのため、同時に抑制する両方の高調波成分の周波数は接近していることが望ましい。また、ＴＥ11モードの管内波長は基本モードよりも長くなる。したがって、通常の高調波成分と中間帯域の高調波成分を同時に抑制する場合、その組み合わせは、たとえば基本モードで伝搬する第（Ｎ／２）次高調波成分（Ｎ≧３）とＴＥ11モードで伝搬する第（Ｎ＋１）／２次高調波成分（Ｎ≧３）が望ましい。

また、金属容器は大形化しないようにあまり大きな寸法のものは用いられない。そのため、ＴＥ11モードよりも高い高次モードが伝搬するようなことは少なく、高次モードについてはＴＥ11モードを抑制すれば実用上の問題は発生しない。

上記した構成によれば、高次モードたとえばＴＥ11モードで伝搬する高調波成分を抑制できる。したがって、チョーク溝を形成する筒状体の内径などを大きくでき、マルチパクター放電や発振不安定などを防止できる。

上記の実施形態では第１〜第４などの表現を使用している。これらの数字は順序や位置など特別な内容を意味するものではなく、単に、他のものと区別するために使用している。

また、λ／４型チョーク構造の向きたとえばそのチョーク溝の開放端の向きが入力側を向いた構造になっている。しかし、チョーク溝の開放端は出力側を向いた構造でもよく、この場合も同じ効果が得られる。

本発明の実施形態を説明する概略の断面図である。 従来例を説明する概略の断面図である。

符号の説明

１１…高周波生成部
１２…陽極円筒
１３…ポールピース
１４…陰極
１５…エンドハット
１６…ベイン
１７ａ、１７ｂ…ストラップリング
１８…金属容器
１９…第１筒状体
２０…第２筒状体
２１…筒状セラミック
２２…排気管
２３…キャップ
２４…アンテナ
Ｃ１〜Ｃ４…第１〜第４のλ／４型チョーク構造
ｍ…管軸

Claims (7)

1. 高周波を生成する高周波生成部と、前記高周波を取り出すアンテナと、このアンテナを囲む筒状金属容器と、この金属容器内にλ／４型チョーク構造のチョーク溝を形成する筒状体とを具備したマグネトロンにおいて、前記チョーク溝の長さを、前記金属容器内を基本モードで伝搬する第１の高調波成分および前記第１の高調波成分と周波数が相違し前記金属容器内を高次モードで伝搬する第２の高調波成分の両方を抑制する大きさに設定したことを特徴とするマグネトロン。
2. 前記金属容器内を基本モードで伝搬する第２の高調波成分を抑制するλ／４型チョーク構造のチョーク溝を前記金属容器内に形成する第２筒状体を設けた請求項１記載のマグネトロン。
3. 高次モードがＴＥ11モードで、基本モードで伝搬する第１の高調波成分の管内波長をλg、第２の高調波成分の自由空間波長をλn、金属容器内を伝搬するＴＥ11モードのカットオフ波長をλc、チョーク溝部分の筒状体外周面の半径をａ、チョーク溝部分の金属容器内周面の半径をｂ、チョーク溝の長さをλg／４とした場合に、
   λc＝π（ａ＋ｂ）
   

   

   の関係である請求項１記載のマグネトロン。
4. 第１の高調波成分の周波数が、基本波の整数倍の周波数をもって隣り合う大きさの周波数をもつ２つの高調波成分の間にある請求項１記載のマグネトロン。
5. 第１高調波成分の周波数が、基本波の整数倍の周波数をもって隣り合う大きさの周波数を有する２つの高調波成分の中央に位置する大きさである請求項１記載のマグネトロン。
6. 高周波を生成する高周波生成部と、前記高周波を取り出すアンテナと、このアンテナを囲む筒状金属容器と、この金属容器内にλ／４型チョーク構造のチョーク溝を形成する筒状体とを具備したマグネトロンにおいて、前記チョーク溝の長さを、前記金属容器内を基本モードで伝搬する第Ｎ／２次高調波成分（Ｎ≧３）およびＴＥ11モードで伝搬する第（Ｎ＋１）／２次高調波成分（Ｎ≧３）の両方を抑制する大きさに設定したことを特徴とするマグネトロン。
7. 基本モードで伝搬する第Ｎ／２次高調波成分（Ｎ≧３）の管内波長をλg、第（Ｎ＋１）／２次高調波成分（Ｎ≧３）の自由空間波長をλn、金属容器内を伝搬するＴＥ11モードのカットオフ波長をλc、チョーク溝部分の筒状体外周面の半径をａ、チョーク溝部分の金属容器内周面の半径をｂ、チョーク溝の長さをλg／４とした場合に、
   λc＝π（ａ＋ｂ）
   

   

   の関係である請求項６記載のマグネトロン。

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