JP6676055B2 - レーザ誘起ブレークダウン分光器の試料室 - Google Patents

レーザ誘起ブレークダウン分光器の試料室 Download PDF

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Description

本発明は、一般的には分光器に関し、より詳しくはレーザ誘起ブレークダウン分光器(LIBS)の試料室に関する。
一般に、レーザ誘起ブレークダウン分光器(LIBS)は、確実に集束されたレーザビームと材料試料との間の相互作用の結果、原子及びイオンが主にそれらの励起状態で形成される照射分光器技術である。物質と高密度光子との間の相互作用は、プラズマプルームを発生し、それは時間とともに展開し、最終的には熱力学平衡を得ることができる。
LIBSの重要な特徴の1つは、従来の分光分析技術とは異なり、それがいかなる試料調製も必要としないことである。固体、液体、ゲル、ガス、プラズマ及び生物材料の形態の試料は、ほぼ同等の容易さで研究することができる。LIBSは、試料の中のすべての化学元素の検出処理、リアルタイム応答、及び標的に対する密着または隔離分析の能力により、主要な分析技術へと急速に発展してきた。
以下、本発明のいくつかの態様の基本的な理解を実現するために、技術革新の簡略化された概要を提示する。この概要は、本発明の広範な概観ではない。それは、本発明の重要なまたは厳密な要素を特定することも、本発明の範囲を輪郭づけることも意図されていない。その唯一の目的は、後述するより詳細な記載に対する先導として、簡単な形態で本発明のいくつかの概念を提示することである。
本発明は、レーザ誘起ブレークダウン分光器(LIBS)の試料室のための方法及び装置を提供する。
一般に、一態様において、本発明は、装置であって、試料室と、励起光学アセンブリに接続されたレーザ光源であって、当該励起光学アセンブリが、当該試料室上の第1のポートに接続されている、レーザ光源と、分光器に接続されたコリメータアセンブリであって、当該試料室上の第2のポートに接続されている、当該コリメータアセンブリと、当該第1のポート上に位置する第1のレンズ管及び当該第2のポート上に位置する第2のレンズ管であって、当該レーザ光源からのレーザパルスが標的試料の表面をアブレーションしプラズマを発生する際に発射される粒子から、当該励起光学アセンブリに接続された当該第1のポートを保護する当該第1のレンズ管、及び当該コリメータアセンブリに接続された当該第2のポートを保護する当該第2のレンズ管と、を含む、装置を特徴とする。
別の態様において、本発明は、装置であって、試料室と、励起光学アセンブリに接続されたレーザ光源であって、当該励起光学アセンブリが、当該試料室上の第1のポートに接続されている、レーザ光源と、分光器に接続されたコリメータアセンブリであって、当該試料室上の第2のポートに接続されている、当該コリメータアセンブリと、当該第1のポートと当該標的試料との間に位置する仕切りであって、当該レーザ光源からのレーザパルスが標的試料の表面をアブレーションしプラズマを発生する際に発射される粒子から、当該励起光学アセンブリに接続された当該第1のポート及び当該コリメータアセンブリに接続された当該第2のポートを保護する、当該仕切りと、を含む、装置を特徴とする。
別の態様において、本発明は、装置であって、試料室と、励起光学アセンブリに接続されたレーザ光源であって、当該励起光学アセンブリが、当該試料室上の第1のポートに接続されている、レーザ光源と、分光器に接続された光パイプの出力端と、当該試料室に接続された当該光パイプの収集端と、当該第1のポートと当該標的試料との間に位置する仕切りであって、当該レーザ光源からのレーザパルスが標的試料の表面をアブレーションしプラズマを発生する際に発射される粒子から、当該励起光学アセンブリに接続された当該第1のポートを保護する、当該仕切りと、を含む、装置を特徴とする。
別の態様において、本発明は、装置であって、試料室と、励起光学アセンブリに接続されたレーザ光源であって、当該励起光学アセンブリが、当該試料室上の第1のポートに接続されている、レーザ光源と、分光器に接続されたコリメータアセンブリであって、当該試料室上の第2のポートに接続されている、当該コリメータアセンブリと、当該第1または第2のポート上に位置するレンズ管であって、当該レーザ光源からのレーザパルスが標的試料の表面をアブレーションし、かつプラズマを発生する際に発射される粒子から、当該励起光学アセンブリに接続された当該第1のポートまたは当該コリメータアセンブリに接続された当該第2のポートを保護する、当該レンズ管と、を含む、装置を特徴とする。
本発明は、下記の利点のうちの1つ以上を含むことができる。
ある装置は、レーザ誘起ブレークダウン分光器(LIBS)システムにおいて破損及び/または汚染から光学アセンブリ及び/またはコリメータアセンブリを保護する1つ以上のレンズ管が中にある試料室を含む。
ある装置は、レーザ誘起ブレークダウン分光器(LIBS)システムにおいて破損及び/もしくは汚染から光学アセンブリならびに/またはコリメータアセンブリを保護するように適切に固定された透明な材料(例えば、水晶、ガラスまたはプラスチック)が中にある試料室を含む。
これらのならびに他の特徴及び利点は、下記の詳細な説明を読み、関連する図面を概観することにより明らかとなろう。上記の一般的な説明及び下記の詳細な説明は両方とも、単なる例示にすぎず、特許請求されるような態様を制限しないことを理解されたい。
本明細書に組み込まれかつ本明細書の一部を構成する、添付の図面は、本発明の実施形態を図解し、上記に提供された本発明の一般的な説明、及び下記に提供される実施形態の詳細な説明とともに、本発明の原理を説明するのに役立つ。
本発明による例示の装置の第1の実施形態のブロック図である。 本発明による例示の装置の第2の実施形態のブロック図である。 本発明による例示の装置の第3の実施形態のブロック図である。 本発明による例示の装置の第4の実施形態のブロック図である。
これから、図面を参照して主題の技術革新を説明するが、そこでは同じ参照番号は全体を通して同じ要素を示すように使用される。下記の記載では、説明の目的について、本発明の徹底的な理解を実現するために、多くの特定の細部が説明される。しかしながら、本発明はこれらの特定の細部がなくても実施できることは明らかであり得る。他の例では、本発明の説明を容易にするために、周知の構造及びデバイスがブロック図の形態において示される。
本明細書で使用されるとき、「または」という用語は、排他的な「または」ではなく、包括的な「または」を意味するものである。すなわち、特に明記されない限り、または文脈から明らかでない限り、「XはAまたはBを使用する」は、すべての自然な包括的置換を意味するものである。すなわち、「XはAを使用する」、「XはBを使用する」、または「XはA及びBの両方を使用する」場合、「XはAまたはBを使用する」はすべての前出の例の条件を満たす。さらに、本明細書及び添付の図面において使用される冠詞「a」及び「an」は、単数形を示すものと特に明記されない限りまたは文脈から明らかでない限り、「1つ以上」を意味すると一般的に解釈されるべきである。
図1に示されるように、例示のレーザ誘起ブレークダウン分光器(LIBS)システム100の第1の実施形態は、ハウジング112を含む。ハウジング112は、励起光学アセンブリ120に接続されたレーザ光源115を含む。ハウジング112はまた、分光器130に接続されたコリメータアセンブリ125を含む。励起光学アセンブリ120及びコリメータアセンブリ125は、試料室140上のポート132、135上にそれぞれ位置する。試料室140は、標的試料145を含む。いくつかの実施形態では、LIBSシステム100は、Goulterらに付与され、かつ本出願の譲受人に譲渡された「HAND−HELD, SELF−CONTAINED OPTICAL EMISSION SPECTROSCOPY (OES) ANALYZER」と題される米国特許第8,355,126 B2号に記載されているような手持型で自立型の分析器として構成され、その開示内容は、すべての目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。しかしながら、組み込まれた参照の中の何かが本出願の中に記述された何かと食い違うところでは、本出願が優先する。
動作において、レーザ光源115から発射されたレーザパルス148は、励起光学アセンブリ120を通過し、励起光学アセンブリがレーザパルス148を標的試料145の表面上に集束させる。レーザパルス148は、標的試料145の表面上に高温のマイクロプラズマを発生する。原子、分子、及び微細な埃粒子を含む粒子は、標的試料145の表面からプラズマへとアブレーションされて、そこで粒子は細分化され励起される。この励起の後、標的試料145の元素組成に特徴的である光が放射され、コリメータアセンブリ125によって収集され、かつ分光器130内で分析される。
動作中に、標的試料145の表面からアブレーションされる粒子は、励起光学アセンブリ120のポート132及びコリメータアセンブリ125のポート135に到達できるので、ポート132及び135上に粒子が蓄積する。粒子蓄積の発生を許容するならば、標的試料145の表面をアブレーションするレーザ光源115及び標的試料145の元素組成に特徴的である光を受信するコリメータアセンブリ125の有効性が損なわれる。
粒子蓄積を制限または低減するために、励起光学アセンブリ120のポート132を覆って第1のレンズ管150が位置し、かつコリメータアセンブリ125のポート135を覆って第2のレンズ管155が位置する。実施形態では、第1のレンズ管150及び第2のレンズ管155は、図1に示されるように、ハニカムのように仕切られ及び/または組み立てられることができる。特定の実施形態では、第1のレンズ管150及び第2のレンズ管155は、図1に示されるように、試料室140の中に(例えば、部分的に中に)延びるか、または試料室140から離れて延びる(図示せず)。さらに他の実施形態では、第1のレンズ管150及び第2のレンズ管155は、洗浄または交換のために取り外し可能である。
動作中に、標的試料145の表面からアブレーションされた粒子は、レンズ管150及びレンズ管155によってそれぞれ提供される保護によって、励起光学アセンブリ120及びコリメータアセンブリ125を塞ぐこと及び/または破損することを防止される。
図2に示されるように、例示のレーザ誘起ブレークダウン分光器(LIBS)システム200の第2の実施形態は、ハウジング112を含む。ハウジング112は、励起光学アセンブリ120に接続されたレーザ光源115を含む。ハウジング115はまた、分光器130に接続されたコリメータアセンブリ225を含む。励起光学アセンブリ120及びコリメータアセンブリ225は、試料室140上のポート132、135上にそれぞれ位置する。試料室140は、標的試料145を含む。
動作において、レーザ光源115から発射されたレーザパルス248は、励起光学アセンブリ120を通過し、励起光学アセンブリがレーザパルス248を標的試料145の表面上に集束させる。レーザパルス248は、標的試料145の表面上に高温のマイクロプラズマを発生する。粒子は、標的試料145の表面からプラズマへとアブレーションされて、そこで粒子は細分化され励起される。この励起の後、標的試料145の元素組成に特徴的である光が放射され、コリメータアセンブリ225によって収集され、かつ分光器130内で分析される。
動作中に、標的試料145の表面からアブレーションされる粒子は、励起光学アセンブリ120のポート132及びコリメータアセンブリ225のポート135に到達できるので、ポート132及び135上に粒子が蓄積する。粒子蓄積の発生を許容するならば、標的試料145の表面をアブレーションするレーザ光源115の有効性及び標的試料145の元素組成に特徴的である光を受信するコリメータアセンブリ125の能力が損なわれる。
粒子蓄積を防止するために、試料室140は、仕切り260を含む。仕切り260は、標的試料145及びポート132、135の間に位置する試料室140の横壁の中に固定される。実施形態では、仕切り260は、洗浄または交換のために取り外し可能である。仕切り260は、透明な材料(例えば、水晶、ガラスまたはプラスチック)、すなわち、対象となる波長において光学的に90%を超える透過性の材料で組み立てることができる。
動作中に、標的試料145の表面からアブレーションされた粒子は、仕切り260にぶつかり、故にポート132、135を塞ぐことを防止される。さらに具体的には、埃及び粒子は、仕切り260上に堆積される。このことは、励起光学アセンブリ120及びコリメータアセンブリ125が粒子によって汚染されること及び/または破損されることにならないことを保証する。
図3に示されるように、例示のレーザ誘起ブレークダウン分光器(LIBS)システム300の第3の実施形態は、ハウジング112を含む。ハウジング112は、励起光学アセンブリ120に接続されたレーザ光源115を含む。ハウジング112はまた、分光器330に接続された光パイプ322を含む。一般に、光パイプは、1つの場所から別の場所に光を伝送するのに使用される。光パイプ322は、収集端324及び出力端326を含む。光パイプ322は、図3に示されるように、粒子汚染を防止するための湾曲部を含む、後述されるような空洞管である。一実施形態では、光パイプ322は、空洞金属管である。
励起光学アセンブリ120は、試料室140上のポート132上に位置し、かつ、光パイプ322の収集端324は、試料室140に接続されている。一実施形態では、光パイプ322の収集端324は、試料室140に開放可能に接続されて洗浄の目的を果たす。試料室140は、標的試料145を含む。
動作において、レーザ光源115から発射されたレーザパルス248は、励起光学アセンブリ120を通過し、励起光学アセンブリがレーザパルス248を標的試料145の表面上に集束させる。レーザパルス248は、標的試料145の表面上に高温のマイクロプラズマを発生する。粒子は、標的試料145の表面からプラズマへとアブレーションされて、そこで粒子は細分化され励起される。この励起の後、標的試料145の元素組成に特徴的である光が放射され、光パイプ322によって収集され、レンズ327を通って通過され、かつ分光器330内で分析される。
動作中に、標的試料145の表面からアブレーションされた粒子は、励起光学アセンブリ120のポート132に到達できるので、ポート132上に粒子が蓄積する。粒子蓄積の発生を許容するならば、標的試料145の表面をアブレーションするレーザ光源115の有効性及び標的試料145の元素組成に特徴的である光を受信する光パイプ322の能力が損なわれる。
ポート132上の粒子蓄積を防止するために、試料室140は、仕切り260を含む。仕切り260は、試料室240の横壁の中に固定され、かつ標的試料145及びポート132の間に位置する。実施形態では、仕切り260は、洗浄または交換のために取り外し可能である。仕切り260は、透明な材料(例えば、水晶、ガラスまたはプラスチック)で組み立てることができる。
動作中に、標的試料145の表面からアブレーションされた粒子は、仕切り260にぶつかり、故にポート132を塞ぐことを防止される。さらに具体的には、埃及び粒子は、仕切り260上に堆積される。このことは、励起光学アセンブリ120が粒子によって汚染されること及び/または破損されることにならないことを保証する。
代替の実施形態において、図4に示されかつ図1を参照して説明されるように、図3における仕切り260は、例示のレーザ誘起ブレークダウン分光器(LIBS)システム400において取り除くことができ、レンズ管150がポート132を覆って位置するか、またはレンズ管155がポート135を覆って位置する。そのような構造では、動作中に、標的試料145の表面からアブレーションされる粒子は、レンズ管150により提供される保護によって、励起光学アセンブリ120を塞ぐこと及び/もしくは破損すること、またはレンズ管155により提供される保護によってコリメータアセンブリ125を破損することを防止される。特定の実施形態では、レンズ管150またはレンズ管155は、図1に示されるように、試料室140の中に(例えば、部分的に中に)延びるか、または試料室140から離れて延びる(図示せず)。一実施形態では、図4に示されるように、光パイプ322の収集端324は、試料室140に接続される。
「開示の要約書」が37 C.F.R.Section 1.72(b)に準拠するように提供されて、読者が技術的開示の本質を即座に把握することができる要約書を必要とすることが強調されている。要約書は、それが特許請求の範囲もしくは意味を解釈するためまたは制限するために用いられるものではないとの理解をもって提出される。なお、上記した「発明を実施するための形態」の中で、開示を簡略化する目的のために、様々な特徴が単一の実施形態において総合してグループ化されていることが分かり得る。この開示方法は、特許請求に係る実施形態が各請求項において明示的に列挙された特徴よりも多くの特徴を要求する意図を反映することとして解釈してはならない。むしろ、下記の特許請求の範囲が反映するように、発明の主題は単一の開示された実施形態のすべての特徴よりも少ない。したがって、下記の特許請求の範囲は、独立した実施形態として自立している各請求項によって、「発明を実施するための形態」の中に組み込まれている。添付された特許請求の範囲において、「含む(including)」及び「in which」という用語は、「備える(comprising)」及び「wherein」の各々の用語に相当する平易な英語としてそれぞれ使用される。さらに、「第1」、「第2」、「第3」等々はラベルにすぎず、それらの趣旨について数値的要件を課するものではない。
本発明は例示の実施形態の記載によって説明されてきたが、また、この実施形態はかなりの細部において記載されてきたが、出願人の意図は添付された特許請求の範囲をそのような細部に限定すること、すなわちいかなる方法であっても制限することではない。追加の利点及び修正が、当業者には容易に明らかとなろう。その境界態様における発明は、それ故に特定の細部、代表的な装置及び方法、ならびに示されたかつ記載された実施例に限定するものではない。したがって、出願人の一般的な発明の概念の趣旨または範囲から逸脱することなく、そのような細部から逸脱がなされてもよい。以下に本発明の実施態様を記載する。
(実施態様1)装置であって、試料室と、励起光学アセンブリに接続されたレーザ光源であって、前記励起光学アセンブリが、前記試料室の第1のポートに接続されている、レーザ光源と、分光器に接続されたコリメータアセンブリであって、前記試料室の第2のポートに接続されている、コリメータアセンブリと、前記第1のポートに位置する第1のレンズ管、及び前記第2のポートに位置する第2のレンズ管であって、前記レーザ光源からのレーザパルスが標的試料の表面をアブレーションしプラズマを発生する際に発射される粒子から、前記励起光学アセンブリに接続された前記第1のポートを保護する第1のレンズ管、及び前記コリメータアセンブリに接続された前記第2のポートを保護する第2のレンズ管と、を備える、装置。
(実施態様2)前記標的試料は、前記試料室の中に位置する、実施態様1に記載の装置。
(実施態様3)前記分光器は、レーザ誘起ブレークダウン分光器である、実施態様1に記載の装置。
(実施態様4)前記第1のレンズ管及び前記第2のレンズ管は、透明な材料で構築されている、実施態様1に記載の装置。
(実施態様5)前記透明な材料は、ガラスである、実施態様4に記載の装置。
(実施態様6)前記透明な材料は、プラスチックである、実施態様4に記載の装置。
(実施態様7)前記透明な材料は、ハニカム状である、実施態様4に記載の装置。
(実施態様8)前記第1のレンズ管及び前記第2のレンズ管は、取り外し可能である、実施態様1に記載の装置。
(実施態様9)装置であって、試料室と、励起光学アセンブリに接続されたレーザ光源であって、前記励起光学アセンブリが、前記試料室の第1のポートに接続されている、レーザ光源と、分光器に接続されたコリメータアセンブリであって、前記試料室の第2のポートに接続されている、コリメータアセンブリと、前記第1のポートと標的試料との間に位置する仕切りであって、前記レーザ光源からのレーザパルスが標的試料の表面をアブレーションしプラズマを発生する際に発射される粒子から、前記励起光学アセンブリに接続された前記第1のポート及び前記コリメータアセンブリに接続された前記第2のポートを保護する、仕切りと、を備える、装置。
(実施態様10)前記標的試料は、前記試料室の中に位置する、実施態様9に記載の装置。
(実施態様11)前記分光器は、レーザ誘起ブレークダウン分光器である、実施態様9に記載の装置。
(実施態様12)前記仕切りは、透明な材料で構築されている、実施態様9に記載の装置。
(実施態様13)前記透明な材料は、ガラスである、実施態様12に記載の装置。
(実施態様14)前記透明な材料は、プラスチックである、実施態様12に記載の装置。
(実施態様15)前記仕切りは、取り外し可能である、実施態様9に記載の装置。
(実施態様16)装置であって、試料室と、励起光学アセンブリに接続されたレーザ光源であって、前記励起光学アセンブリが、前記試料室の第1のポートに接続されている、レーザ光源と、分光器に接続された光パイプの出力端と、前記試料室に接続された前記光パイプの収集端と、前記第1のポートと標的試料との間に位置する仕切りであって、前記レーザ光源からのレーザパルスが標的試料の表面をアブレーションしプラズマを発生する際に発射される粒子から、前記励起光学アセンブリに接続された前記第1のポートを保護する、仕切りと、を備える、装置。
(実施態様17)前記標的試料は、前記試料室の中に位置する、実施態様16に記載の装置。
(実施態様18)前記分光器は、レーザ誘起ブレークダウン分光器である、実施態様16に記載の装置。
(実施態様19)前記仕切りは、透明な材料で構築されている、実施態様16に記載の装置。
(実施態様20)前記透明な材料は、ガラスである、実施態様19に記載の装置。
(実施態様21)前記透明な材料は、プラスチックである、実施態様19に記載の装置。
(実施態様22)前記仕切りは、取り外し可能である、実施態様16に記載の装置。
(実施態様23)前記光パイプは、前記試料室に開放可能に接続されている、実施態様16に記載の装置。
(実施態様24)装置であって、試料室と、励起光学アセンブリに接続されたレーザ光源であって、前記励起光学アセンブリが、前記試料室の第1のポートに接続されている、レーザ光源と、分光器に接続されたコリメータアセンブリであって、前記試料室の第2のポートに接続されている、コリメータアセンブリと、前記第1ポート又は前記第2のポートに位置するレンズ管であって、前記レーザ光源からのレーザパルスが標的試料の表面をアブレーションしプラズマを発生する際に発射される粒子から、前記励起光学アセンブリに接続された前記第1のポートまたは前記コリメータアセンブリに接続された前記第2のポートを保護する、レンズ管と、を備える、装置。
(実施態様25)分光器に接続された光パイプの出力端、及び前記試料室に接続された前記光パイプの収集端をさらに含む、実施態様24に記載の装置。
(実施態様26)前記レンズ管は、透明な材料で構築されている、実施態様24に記載の装置。
(実施態様27)前記透明な材料は、ガラスである、実施態様26に記載の装置。
(実施態様28)前記透明な材料は、プラスチックである、実施態様26に記載の装置。
(実施態様29)前記透明な材料は、ハニカム状である、実施態様26に記載の装置。
(実施態様30)前記レンズ管は、取り外し可能である、実施態様24に記載の装置。

Claims (15)

  1. 装置であって、
    試料室と、
    励起光学アセンブリに接続されたレーザ光源であって、前記励起光学アセンブリが、前記試料室の第1のポートに接続されている、レーザ光源と、
    分光器に接続されたコリメータアセンブリであって、前記試料室の第2のポートに接続されている、コリメータアセンブリと、
    前記第1のポートに位置し前記試料室内に開口端を有する第1のレンズ管、及び前記第2のポートに位置し前記試料室内に開口端を有する第2のレンズ管であって、前記レーザ光源からのレーザパルスが標的試料の表面をアブレーションしプラズマを発生する際に発射される粒子の蓄積から、前記励起光学アセンブリに接続された前記第1のポートを保護する第1のレンズ管、及び前記コリメータアセンブリに接続された前記第2のポートを保護する第2のレンズ管と、を備える、装置。
  2. 前記標的試料は、前記試料室の中に位置する、請求項1に記載の装置。
  3. 前記分光器は、レーザ誘起ブレークダウン分光器である、請求項1に記載の装置。
  4. 前記第1のレンズ管及び前記第2のレンズ管は、透明な材料で構築されている、請求項1に記載の装置。
  5. 前記透明な材料は、ガラスである、請求項4に記載の装置。
  6. 前記透明な材料は、プラスチックである、請求項4に記載の装置。
  7. 前記透明な材料は、ハニカム状である、請求項4に記載の装置。
  8. 前記第1のレンズ管及び前記第2のレンズ管は、取り外し可能である、請求項1に記載の装置。
  9. 装置であって、
    試料室と、
    励起光学アセンブリに接続されたレーザ光源であって、前記励起光学アセンブリが、前記試料室の第1のポートに接続されている、レーザ光源と、
    分光器に接続されたコリメータアセンブリであって、前記試料室の第2のポートに接続されている、コリメータアセンブリと、
    前記第1ポート又は前記第2のポートに位置し前記試料室内に開口端を有するレンズ管であって、前記レーザ光源からのレーザパルスが標的試料の表面をアブレーションしプラズマを発生する際に発射される粒子の蓄積から、前記励起光学アセンブリに接続された前記第1のポートまたは前記コリメータアセンブリに接続された前記第2のポートを保護する、レンズ管と、を備える、装置。
  10. 分光器に接続された光パイプの出力端、及び前記試料室に接続された前記光パイプの収集端をさらに含む、請求項に記載の装置。
  11. 前記レンズ管は、透明な材料で構築されている、請求項に記載の装置。
  12. 前記透明な材料は、ガラスである、請求項11に記載の装置。
  13. 前記透明な材料は、プラスチックである、請求項11に記載の装置。
  14. 前記透明な材料は、ハニカム状である、請求項11に記載の装置。
  15. 前記レンズ管は、取り外し可能である、請求項に記載の装置。
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