JPH04249025A - 微小電界放出陰極アレイ     - Google Patents

微小電界放出陰極アレイ    

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JPH04249025A
JPH04249025A JP3011786A JP1178691A JPH04249025A JP H04249025 A JPH04249025 A JP H04249025A JP 3011786 A JP3011786 A JP 3011786A JP 1178691 A JP1178691 A JP 1178691A JP H04249025 A JPH04249025 A JP H04249025A
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emission cathode
micro
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array
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圭一 別井
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明は微小電界放出陰極アレイ
および光プリンタに関する。詳しくは、ゲート電極開口
部の大きさが異なるようにして動作マージンを広くした
微小電界放出陰極アレイの構成に関する。また、蛍光体
ドットアレイと微小電界放出陰極アレイとを組み合わせ
て構成した点滅光源により感光ドラム上に潜像を形成し
て,たとえば、静電記録型の光プリンタを簡易に低価格
で構成する新規なる提案に関する。 【0002】 【従来の技術】微小電界放出陰極は極微小のマイクロ波
真空管や微小な表示素子など,いわゆる、真空マイクロ
デバイス用の放射電極として欠くことのできない構成要
素である。 【0003】真空マイクロデバイスは通常の半導体素子
と異なり、微小な真空空間を電子が移動するのを利用す
るので、電子の移動度が大きく、高速・高温動作が可能
で,しかも、放射線損傷を受けにくいなどの特徴があり
、今後マイクロ波素子,超高速演算素子,耐放射線用デ
バイス,耐高温環境用デバイス,微小表示素子などへの
応用が期待されている。 【0004】図12は微小電界放出陰極の構造例を示す
図(その1)で、同図(イ)は斜視図,同図(ロ)は断
面図である。たとえば、半導体からなる基板1にエミッ
タとなるコーン2を形成し、その先端20を取り囲むよ
うにゲート電極30を形成する。基板1とゲート電極3
0は図示してないゲード絶縁膜で分離されており、また
, コーンの先端20の周囲はゲート電極開口部3が開
いている構造である。 【0005】微小電界放出陰極の動作特性を決める主な
パラメータはゲート電極開口部3の大きさ(Rg ),
コーン2の高さ(Ht ),ゲート絶縁膜の厚さ(Hg
 ) などである。 図13は微小電界放出陰極の動作特性例を示す図で、縦
軸に放出電流 Ie を, 横軸にゲート電圧 Vg 
をとってある。 【0006】図中の曲線■は典型的な例で、いま, コ
ーン2をマイナスにしゲート電極30をプラスにして電
圧を上げていくと、ある閾値電圧で急激にコーンの先端
20から電子が放出される。動作点, たとえば、動作
ゲート電圧 Vg0で動作放出電流 Ie0が得られる
。 【0007】以上の例はエミッタコーンが1つの場合の
例であるが、用途によってはこのようなコーン20を一
枚の基板に複数個配列してアレイとしてのデバイスを構
成する場合がある。 【0008】図14は従来の微小電界放出陰極アレイの
ゲート電極開口部の例を示す図(その1)で、コーンの
先端20とゲート電極開口部3bの配置の記載だけで微
小電界放出陰極アレイ50’aを表してある。その他の
個々の構成については図12のものに準じているので省
略する。 【0009】図15は微小電界放出陰極の製造方法の例
を示す図で、シリコン基板の等方性エッチングによりシ
リコンの冷陰極コーンを形成する方法である(Mat.
Res.Soc.Symp.,vol.76,p25,
1987 参照)。 【0010】たとえば、シリコンからなる基板1の上に
、一様な厚さのSiO2膜500を公知の熱酸化法で形
成したあと(1) 、前記SiO2膜500を、公知の
ホトリソグラフィ法で所定の形状,寸法にエッチングし
てSiO2膜マスクパターン500’を形成する(2)
。 【0011】次に、前記処理済み基板を, たとえ
ば、HFとHNO3の混合液の中でシリコンのみを等方
性エッチングを行って、SiO2膜マスクパターン50
0’の下にエミッタとなるコーン2を形成する(3)。 【0012】次いで、前記処理済み基板の上方からSi
O2を蒸着あるいはスパッタして、前記コーン2の周囲
に空間が生じるようにSiO2膜510 を形成したあ
と(4) 、上方からゲート電極膜310,たとえば、
Mo膜を公知の方法で一様に被着する(5)。この時、
SiO2膜マスクパターン500’の側面の少なくとも
一部が露出しているようにする。 【0013】最後に
、前記SiO2膜マスクパターン500’の全てとSi
O2膜510 の一部が除去されるように、HFを用い
て選択エッチングを行い前記コーン2を空間に露出させ
て、シリコンからなる基板1上に微小電界放出陰極を形
成している(6) 【0014】なお、以上の説明は一つの陰極だけについ
て例を示したが、アレイ状に構成する場合には複数の素
子が形成されるようなマスクを適宜用いて、公知のホト
リソグラフィ技術により基板上に一括形成していけばよ
いことは言うまでもない。 【0015】図16は微小電界放出陰極の構造例を示す
図(その2)で、前記図12ではエミッタが円錐状のコ
ーンであったが、この例はエミッタとして横に長いエッ
ジ4で構成されており電子はその刃先40からラインと
なって放出されるように構成されている。したがって、
ゲート電極開口部5も巾2Rg の細長い溝状をなして
いる。 【0016】この例はラインビームを放出する必要があ
る応用に適していることは言うまでもない。図17は従
来の微小電界放出陰極アレイのゲート電極開口部の例を
示す図( その2)である。図14の場合と同様にエッ
ジの刃先40とゲート電極開口部5の配置の記載だけで
微小電界放出陰極アレイ50’bを表してある。その他
の個々の構成については図16のものに準じているので
省略する。やはり広い面積で電子ビーム放射を必要とす
る用途に適した構成のものである。 【0017】一方、ラインビーム,とくに、光のライン
ビームを用いる装置として、最近急速に普及しているも
のにノンインパクトプリンタ,たとえば、レーザプリン
タがあり、これには光を多くの位置にアクセスする装置
が必要である。光を多くの位置にアクセスする方法には
、代表的なものとして光ビーム走査方式と光アレイ方式
がある。 【0018】光アレイ方式は多数の光源,たとえば、レ
ーザダイオードなどの発光素子を配列し、それぞれの発
光素子を所要の光点,たとえば、印字ドットに対応させ
るもので、高速・低騒音という特徴がある。 【0019】光ビーム走査方式では、回転多面鏡やホロ
グラムディスクなどの光偏向素子を回転し光ビームを走
査するもので、高解像度・広角走査が容易であり現在最
も多く使用されている。その代表的な例として、ホログ
ラムディスクを用いる構成のものについて以下に簡単に
説明する。 【0020】図18は従来の光プリンタ用の光学系の例
を示す図である。すなわち、光源610,たとえば、半
導体レーザから出射したレーザ光は収束レンズ604,
たとえば、ホログラムレンズで所要のビーム径に絞られ
るとともに収差補正され、ホログラムディスク601上
に形成されたホログラム602 に入射する。ホログラ
ムディスク601 はモータ603 により回転されて
いるので、その回転に従って入射光ビームはホログラム
602 で異なる方向に回折されて出射ビーム605 
として感光ドラム300の上を走査するように構成され
ている。 【0021】なお、たとえば,静電記録方式の光プリン
タに必要なその他のデバイス,たとえば、帯電器,現像
器や紙送り機構などは図面の簡略化のため図示を省略し
た。 【0022】 【発明が解決しようとする課題】微小電界放出陰極は,
たとえば、図15に示したように膜形成や露光・エッチ
ングといったプロセスを経て形成される。通常、コーン
2の高さ(Ht )やゲート電極開口部3の大きさ( 
2Rg ) は数μm以下であり、数が少ない時は余り
問題がないが大面積に多素子を形成する場合や、あるい
は,長い線状にエッジ形成する場合には膜形成, たと
えば、蒸着の均一性や露光・エッチングの均一性が問題
となる。ゲート電極開口部には最適の大きさがあり、そ
れより大きくても小さくともエミッション電流は小さく
なる。すなわち、ゲート電極開口部の半径が最適値から
はずれてしまうと十分なエミッション電流を得ることが
できない。したがって、所要特性の微小電界放出陰極ア
レイとしては高歩留りが得られないという大きな問題が
ある。 【0023】一方、光プリンタに用いる従来の光アクセ
ス方式では、光アレイ方式は輝度や解像度や価格などに
問題があり, 一方、光ビーム走査方式では回転多面鏡
やホログラムディスク等の偏向素子回転部を有するため
に, たとえば、レーザプリンタにおいて高品質の印字
性能が要求されるに従い、ますます高精度のモータと回
転制御機構が必要になり、装置の大型化と高価格化を招
くといった問題が生じ、その解決が必要であった。 【0024】 【課題を解決するための手段】上記の課題は、基板1上
に複数の先端が尖ったコーン2が形成され、それぞれの
コーン2の先端20を取り囲んでゲート電極開口部3が
設けられ、前記コーン2の先端20から電界放出により
電子ビームが取り出されてなる微小電界放出陰極アレイ
において、前記ゲート電極開口部3の大きさが異なり、
かつ, 入り混じって配置された微小電界放出陰極アレ
イによって解決することができる。また、基板1上に先
端が尖ったエッジ4が形成され、該エッジ4を取り囲ん
で溝状のゲート電極開口部5が設けられ、前記エッジ4
の刃先40から電界放出により電子ビームが取り出され
てなる微小電界放出陰極において、前記ゲート電極開口
部5の溝巾がエッジ4に沿って異なる部分を形成したエ
ッジ型の微小電界放出陰極、および,それを一つの基板
上に複数個配列した微小電界放出陰極アレイにより解決
できる。 【0025】一方、光プリンタに関しては、蛍光体ドッ
トアレイと該蛍光体ドットアレイに電子ビームを照射す
るように配置された微小電界放出陰極とからなる電界放
出陰極型光ヘッド100と、前記電界放出陰極型光ヘッ
ド100を発光点滅させる制御回路200と、前記点滅
光が照射されて潜像が形成される感光体301を形成し
た感光ドラム300とを少なくとも備えた光プリンタに
よって解決することができる。さらに、前記電界放出陰
極型光ヘッド100を構成する微小電界放出陰極を前記
微小電界放出陰極アレイまたはエッジ型の微小電界放出
陰極で構成することにより一層効果的に解決することが
できる。 【0026】 【作用】本発明によれば、電子ビーム放出特性に最も影
響の大きいゲート電極開口部3あるいは5の大きさ( 
2Rg)を,たとえば、大,中,小の3種類に分け、し
かも,入り混じるように形成してあるので、その大きさ
に若干の製造バラツキがあっても、最適開口半径 RG
 となったコーン2あるいはエッジ4が自己選択的に電
子ビーム放出を行うことができ、広い面積あるいは長い
ラインにわたって安定な動作が可能となる。 【0027】一方、光源として微小電界放出陰極と蛍光
体とを組み合わせた電界放出陰極型光ヘッドを用いるこ
とにより、小型,低消費電力,高輝度で機械的可動部分
のない高安定の光プリンタができる。また、前記本発明
の微小電界放出陰極アレイまたはエッジ型の微小電界放
出陰極を用いて電界放出陰極型光ヘッドを構成すればよ
り一層効果が上がることは言うまでもない。 【0028】 【実施例】図1は本発明の第1実施例を示す図で、コー
ンの先端20とゲート電極開口部3の配置の記載だけで
微小電界放出陰極アレイ50aを表してある。この実施
例ではゲート電極開口部を大きさが大, 中, 小の3
種類,すなわち、3a,3b,3cを一定の周期で前後
左右に繰り返し形成している。 【0029】なお、その形成方法は, たとえば、図1
5に詳しく説明したものに準じて行えばよい。また、そ
の大きさや間隔は所定の設計値になるように選択すれば
よい。図2は本発明第1実施例の動作特性を示す図で、
縦軸に放出電流 Ie を, 横軸にゲート電圧 Vg
 をとってある。 【0030】図中の曲線■は,たとえば、中くらいの大
きさのゲート電極開口部3bを有する電界放出陰極の特
性を, 曲線■は小さい方のゲート電極開口部3cを有
する電界放出陰極の特性を, 曲線■は大きい方のゲー
ト電極開口部3aを有する電界放出陰極の特性をそれぞ
れ示す。 【0031】前記のごとくゲート電極開口部には最適な
大きさ Rg0があり、それより大きくても小さくても
エミッション電流は小さくなる。すなわち、ゲート電極
開口部の半径が最適値からずれてしまうと十分なエミッ
ション電流が得られない。したがって、開口部の大きさ
を予め分布させておくと、たとえば, 開口部に作製上
のバラツキがあって小さめにできてしまった領域では大
きなゲート開口のものが最適開口半径になり、一方, 
大きめにできてしまった場合には小さなゲート開口のも
のが最適開口半径となって全体として作製マージンが大
きくなる。 【0032】図3は本発明の第2実施例を示す図で、同
じくエッジの刃先40とゲート電極開口部5の配置の記
載だけで微小電界放出陰極アレイ50bを表してある。 その他の個々の構成については図17のものに準じてい
るので説明を省略する。この例では、一つ一つのエミッ
タ部でエッジの刃先40に沿っての開口部巾が凹凸をな
して異なるように構成されていることが特徴で、その開
口部巾が最適の部分で自己選択的に電子ビーム放出を行
うことができる。これが全ての素子で行われるので、結
局,広い面積で電子ビーム放出が安定に行われる。 【0033】図4は本発明の第3実施例を示す図で、こ
の例は上記第2実施例の変形例であり、エッジの刃先4
0に沿っての開口部巾が一定の傾斜をなして異なるよう
に構成されている点だけが異なり、その開口部巾が最適
の部分で自己選択的に電子ビーム放出を行うことができ
ることは全く同様である。 【0034】なお、以上の2つの例はアレイについて図
示説明したが、一つだけをより長く形成して1本の長い
線状電界放出陰極を形成する場合にも本発明が適用でき
ることは言うまでもない。 【0035】次に、光プリンタへの電界放出陰極アレイ
の幾つかの適用実施例について図示説明する。図5は本
発明の光プリンタの要部の原理構成を示す図である。図
中、100 は電界放出陰極型光ヘッド、150 はレ
ンズアレイ, たとえば、正立等倍レンズ、300 は
感光ドラム、301 は感光体である。 【0036】電界放出陰極型光ヘッド100 は図示し
てない蛍光体ドットアレイと蛍光体ドットアレイに電子
ビームを照射するように配置された同じく図示してない
微小電界放出陰極とからなり、前記電界放出陰極型光ヘ
ッド100を図示してない制御回路により発光点滅させ
、レンズアレイ150 で感光ドラム300 上に被着
された感光体301,たとえば、ZnO:Zn膜に潜像
を形成するように構成される。なお、光プリンタに必要
なその他のデバイス,たとえば、帯電器,現像器や紙送
り機構などは本発明に直接関係しないので簡略化のため
図示を省略した。 【0037】図6は本発明の第4実施例の要部の構成を
示す図である。図中、10は透明基板, たとえば、ガ
ラス基板、12は透明基板10上に形成されたアノード
で, たとえば、厚さ200 〜300 nmのITO
(In2O3−SnO2) 膜で、大きさ50μm程度
のものを70μm程度のピッチで配置した印字ドットに
相当するものである。各アノード12の上にはそれぞれ
アノード12よりも小さめの蛍光体ドッド11, たと
えば、厚さ2μmのZnO:Znが形成されている。 【0038】50は微小電界放出陰極アレイで、基板1
の上に公知の方法,たとえば、本発明者らが既に発表し
た方法により所定の大きさとピッチで形成する(199
0電子情報通信学会秋期全国大会SC−8−2,5−2
8−2参照) 。 【0039】両基板を,たとえば、200 μm程度の
間隔をあけて図示したごとく対面配置して固定すれば本
発明の要部をなす電界放出陰極型光ヘッド100 が構
成される。これを前記図5に示したごとく配置し、制御
回路,帯電器,現像器や紙送り機構などと共に装置組み
立てを行えば本発明の光プリンタが構成される。 【0040】図7は本発明の第4実施例の駆動方法を説
明する図である。図中、30はゲート電極、200 は
制御回路で電界放出陰極型光ヘッド100を発光点滅さ
せるものであり本実施例の場合には具体的にはゲート選
択回路である。250 はアノード電源、260 はゲ
ート電源である。 【0041】すなわち、ゲート電源260 で選択的に
ゲート電圧を印加された特定のコーン2の先端20から
引き出された電子はアノード電源250 で正電位に付
勢された前記特定のコーン2 に対応するアノード12
だけに強く引きつけられ、そのアノード12の上に形成
された蛍光体ドット11を照射して発光させる。かくし
て、制御回路200 でゲート電圧を印加するゲート3
0を適宜選択することにより任意の蛍光体ドット11を
発光させることができる。 【0042】本実施例の場合、エミッタとしてコーン2
を配置し、ゲート電極開口部3の直径を2μm,コーン
の先端20のピッチを4μmとして、電子引き出し選択
用のゲート電圧Vgを80v , アノード電圧 Va
 を100v印加することにより電子ビームが選択的に
放出される。すなわち、制御回路200 を動作させる
ことにより、従来の光アクセス方式に比較して安定で高
い輝度が得られ高性能の光プリンタが構成できることが
わかった。 【0043】図8は本発明の第5実施例の要部の構成を
示す図である。この例では微小電界放出陰極アレイ50
を蛍光体ドット11に対して直角に配置し、蛍光体ドッ
ト11の側方から電子ビームが照射される構造にしてあ
るので、電子ビームが蛍光体ドット11の中で減衰され
ることがなく発光効率が高いという利点がある。 【0044】図9は本発明の第6実施例の要部の構成を
示す図である。この例は前記第5実施例の変形であり、
蛍光体ドット11と微小電界放出陰極アレイ50を同一
面上に形成したもので、同様に発光効率が高く、しかも
,両者を同一面に形成できるので製造工程上容易で, 
したがって、歩留りがよく低価格のデバイスが得られる
という利点がある。 【0045】図10は本発明の第7実施例の要部の構成
を示す図で、図中の符号は前記の諸図面と同等の部分に
ついて同一符号を付してある。通常、微小電界放出陰極
アレイ50はIC技術を用いて極めて小さく形成でき、
たとえば, コーン2の先端のピッチは数μm程度とす
ることができる。一方、蛍光体ドット11の大きさは印
字ドットの大きさに対応するとすれば数10〜100 
μmといった大きさであり、図に示したごとく一つの蛍
光体ドット11に対して多数のコーン2を配置すること
が可能である。本実施例の構成にすれば各蛍光体ドット
11に照射される電子ビームの量を大きくでき、かつ,
 冗長性が高くなるので装置全体の信頼性も向上すると
いう利点がある。 【0046】図11は本発明の第7実施例の駆動方法を
説明する図である。この例では図7の駆動方法と異なる
のは制御回路200 がゲート選択回路でなくアノード
選択回路である点である。すなわち、ゲート電源260
 で印加されたゲート電圧により一斉に引き出された電
子は制御回路200 により選択された特定のアノード
12だけに強く引きつけられ、そのアノード12の上に
形成された蛍光体ドット11を照射して発光させる。制
御回路200 により正電位を与えるアノード12を適
宜選択することにより任意の蛍光体ドット11を発光さ
せることができ、同様に従来の光アクセス方式に比較し
て安定で高い輝度が得られ高性能の光プリンタが構成で
きる。 【0047】なお、とくに図示説明することは省略する
が、電界放出陰極型ヘッド100 にゲート電極開口部
3あるいは5の大きさが異なり、かつ, 入り混じって
配置された前記本発明の微小電界放出陰極アレイ50を
使用すれば一層有効であることは説明するまでもない。 【0048】以上の諸実施例はいずれも例として示した
ものであり、本発明の趣旨に反しない限りこれらに限定
されるものではなく、その他の素材やプロセスあるいは
他の類似の構成を用いて本発明を実現してもよいことは
言うまでもない。 【0049】 【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば電
子ビーム放出特性に最も影響の大きいゲート電極開口部
3あるいは5の大きさ( 2Rg)を,たとえば、大,
中,小の3種類に分け、しかも,入り混じるように形成
してあるので、その大きさに若干の製造バラツキがあっ
ても、ゲート開口半径 Rg0となったコーン2あるい
はエッジ4が自己選択的に電子ビーム放出を行うことが
でき、広い面積あるいは長いラインにわたって安定な動
作が可能となる。 【0050】一方、光源として微小電界放出陰極と蛍光
体ドットとを組み合わせた電界放出陰極型光ヘッドを用
いることにより、小型,低消費電力,高輝度で機械的可
動部分のない高安定の光プリンタができる。また、前記
本発明の微小電界放出陰極アレイまたはエッジ型の微小
電界放出陰極を用いて電界放出陰極型光ヘッドを構成す
ればより一層有効であり光プリンタの構成の簡易化と性
能の安定化ならびに低価格化に寄与するところが極めて
大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を示す図である。
【図2】本発明第1実施例の動作特性を示す図である。
【図3】本発明の第2実施例を示す図である。
【図4】本発明の第3実施例を示す図である。
【図5】本発明の光プリンタの要部の原理構成を示す図
である。
【図6】本発明の第4実施例の要部の構成を示す図であ
る。
【図7】本発明の第4実施例の駆動方法を説明する図で
ある。
【図8】本発明の第5実施例の要部の構成を示す図であ
る。
【図9】本発明の第6実施例の要部の構成を示す図であ
る。
【図10】本発明の第7実施例の要部の構成を示す図で
ある。
【図11】本発明の第7実施例の駆動方法を説明する図
である。
【図12】微小電界放出陰極の構造例を示す図(その1
)である。
【図13】微小電界放出陰極の動作特性例を示す図であ
る。
【図14】従来の微小電界放出陰極アレイのゲート電極
開口部の例を示す図(その1)である。
【図15】微小電界放出陰極の製造方法の例を示す図で
ある。
【図16】微小電界放出陰極の構造例を示す図(その2
)である。
【図17】従来の微小電界放出陰極アレイのゲート電極
開口部の例を示す図(その2)である。
【図18】従来の光プリンタ用の光学系の例を示す図で
ある。
【符号の説明】

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  基板(1) 上に複数の先端が尖った
    コーン(2) が形成され、それぞれのコーン(2) 
    の先端(20)を取り囲んでゲート電極開口部(3) 
    が設けられ、前記コーン(2) の先端(20)から電
    界放出により電子ビームが取り出されてなる微小電界放
    出陰極アレイにおいて、前記ゲート電極開口部(3) 
    の大きさが異なり、かつ, 入り混じって配置されてい
    ることを特徴とした微小電界放出陰極アレイ。
  2. 【請求項2】  基板(1) 上に先端が尖ったエッジ
    (4)が形成され、該エッジ(4)を取り囲んで溝状の
    ゲート電極開口部(5) が設けられ、前記エッジ(4
    ) の刃先(40)から電界放出により電子ビームが取
    り出されてなる微小電界放出陰極において、前記ゲート
    電極開口部(5) の溝巾がエッジ(4) に沿って異
    なる部分を形成したことを特徴とするエッジ型の微小電
    界放出陰極。
  3. 【請求項3】  請求項2記載のエッジ型の微小電界放
    出陰極を複数個配列することを特徴とした微小電界放出
    陰極アレイ。
  4. 【請求項4】  蛍光体ドットアレイと該蛍光体ドット
    アレイに電子ビームを照射するように配置された微小電
    界放出陰極とからなる電界放出陰極型光ヘッド(100
    )と、前記電界放出陰極型光ヘッド(100)を発光点
    滅させる制御回路(200) と、前記点滅光が照射さ
    れて潜像が形成される感光体(301) を形成した感
    光ドラム(300) とを少なくとも備えることを特徴
    とした光プリンタ。
  5. 【請求項5】  前記電界放出陰極型光ヘッド(100
    ) を構成する微小電界放出陰極が請求項1〜3記載の
    微小電界放出陰極アレイまたはエッジ型の微小電界放出
    陰極であることを特徴とした請求項4記載の光プリンタ
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