JPH08327452A - 光学分光計及び格子 - Google Patents
光学分光計及び格子Info
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- JPH08327452A JPH08327452A JP8132143A JP13214396A JPH08327452A JP H08327452 A JPH08327452 A JP H08327452A JP 8132143 A JP8132143 A JP 8132143A JP 13214396 A JP13214396 A JP 13214396A JP H08327452 A JPH08327452 A JP H08327452A
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Abstract
を検出するために改善された光学分光計を提供する。 【構成】 分光計は、アレー検出器に焦点合わせされる
スペクトル的に分散されたビームを生じさせるための一
対のクロス(crossed)交差した反射型格子を有してい
る。第2格子は、第1部分と第2部分が形成された表面
を持つ複数の格子である。第1部分は、分散されたビー
ムにおける紫外を生じさせるための溝密度を持ってい
る。第2部分は分散されたビームにおいて可視放射を生
じさせる溝密度を持っている。シャッタは格子表面の第
2部分を阻止または露光させ、その結果、検出のために
第1スペクトル範囲または第2スペクトル範囲を選択す
る。
Description
して特に異なるスペクトル範囲の別個の検出のための光
学分光計及び格子に関する。
ペクトルパターンに分散させる計器である。そのような
計器は、種々の目的のために、たとえばサンプル中の原
子素子のスペクトル線特性を発生させ、そして分析する
ために、用いられる。微少の素子の量の正確な定量分析
または検出のためには、分光計は高い精度を持つ必要が
ある。
光計の1つの型式は、誘導結合プラズマ(ICP)の光
放射源を用いる原子発散分光計である。霧状にされたサ
ンプル材料はプラズマ内に注入され、ここでこれは原子
に分離され、プラズマ内で励起されてスペクトル線を有
する、放射を発散する。そのような誘導プラズマ装置の
一例は、米国特許第4,766,287号(モリスロー
他)で説明されている。
多数の波長または検出されるスペクトル線に分散させ
る。精密多色形の一例は、本代理人の米国特許第4,8
20,048号(バーナード)において説明されている
ような、スペクトル線の2次元表示を発生する縦列クロ
ス(交差)分散(crossed dispersion)ユニットを持つ
階段格子装置である。スペクトル線は、相当する線の強
度に比例する信号を発生する2次元固体電荷転送装置を
有する、検出器上に焦点合わせされる。
クグランドを補正し、校正を加え、そしてサンプル内の
原子素子の濃度の型式で結果を表示させる。
8号において説明されているように、1つのクロス分散
(crossed dispersion)器の分光計の型式は、いくつか
のスペクトル範囲、特に可視および紫外光線範囲、にお
いて検出するように構成されている。回折格子である第
1分散素子は、両方の範囲に共通である。紫外線範囲に
関しては、第1のそれと垂直な格子線を持つ第2格子
が、放射を反射させ、そしてさらに分散させて第1検出
器に焦点合わせする。可視範囲においては、第2格子は
そこに中央孔を持ち、そして孔を通過した放射は集約さ
れ、そしてプリズムによってクロス分散(crossed disp
ersion)され、そして第2検出器に焦点合わせされる。
両方の検出器は2次元型式であり、そしてそこからの信
号は共通処理ユニットに導かれる。2つのスペクトル範
囲に関して高い精度を持つとはいえ、この分光計の型式
は、クロス分散(crossed dispersion)ユニットの第2
のための分散器および検出器を有する、2つの別個の)
光学トレインのために高価となり、複雑で、そして大き
なものとなる。この2つの範囲は、単独の検出器によっ
て都合よく検出するためには、分散器によって空間的に
拡張するには広すぎるため、2つの範囲は別々に検出さ
れることを必要とする。
をゆがませる収差をもたらすことがある。上に説明した
分光計の場合には、第2格子からの放射を検出器に焦点
合わせする球形ミラーが装置の入側スリットのイメージ
の焦点において固有の幾何学的収差を発生させる。主要
な型は、回転軸に近い光線よりもわずかに異なる平面に
軸外れ光線を焦点合わせする結果となる球形収差として
知られている。これは球形ミラーをパラボラミラーで置
換することによって補正される。しかし、そのようなミ
ラーは高価であり、そして一般的に階段格子分光計にお
いては効率的でない狭い視野に制限される。
ュミット素子である。1つの形式においては、半径で変
化する厚さを持つガラスまたはプラスチックの屈折板
が、ビーム内に挿入される。別の型式は、補正を提供す
る曲率を持つ付加的な反射器を用いるものである。これ
らの場合のいずれにおいても補正器は装置内に余分な素
子を持ち込み、これは放射損失を伴い、バックグランド
を増加させ、そして大きさ、複雑さ、およびコストを付
け加える。前に示した米国特許第4,820,048号
に示されているような第3の場合においては、第2格子
は、シュミット補正器として機能する非平坦面を持つよ
うに備えられる。そのような補正器格子は米国特許第
3,521,943号(ケルダーマン)において開示さ
れている。
は、別個の)スペクトル範囲においてスペクトルを検出
するために改善された光学分光計を提供することであ
る。特定の目的は、別個の)スペクトル範囲においてス
ペクトルに影響を与えるための新しい装置を持つ分光計
を提供することである。別の目的は、別個の)スペクト
ル範囲において第2素子がスペクトルの選択的検出を可
能とするようなクロス分散(crossed dispersion)素子
を持つ分光計を提供することである。別の目的は、別個
の)スペクトル範囲においてスペクトルを検出するため
に単独の光学系列(トレイン)を持つクロス(交差)分
散(crossed dispersion)分光計を提供することであ
る。さらに別の目的は、第2分散素子のために収差を補
正する格子を持つ分光計を提供することである。
は、少なくとも部分的には、異なるスペクトル範囲を別
個に検出するための光学分光計において達成される。分
光計は、光放射を受けてスペクトル的に分散されたビー
ムにするためのスペクトル分散装置と、そしてその検出
のために分散されたビームを受け取る検出器とを有して
いる。分散装置は、第1部分および第2部分を形成する
格子表面を持つ、反射的であることが好都合な複数の格
子を有している。第1部分は、紫外線のような第1スペ
クトル範囲内の分散されたビームを生じさせるための第
1溝構成配列を持っている。第2部分は第1スペクトル
範囲と異なる、可視光線のような、第2スペクトル範囲
において分散されたビームを生じさせるための第2溝構
成配列を持っている。都合のよいことに、分散装置はさ
らに、検出のために第1スペクトル範囲または第2スペ
クトル範囲を選択するよう、格子表面の第1部分または
第2部分を選択的に阻止するための、シャッタであるこ
とが望ましい選択装置を有している。
に、初期的スペクトルの形式で光放射を生じさせるため
にソース放射を受ける、反射型格子であることが好都合
な初期的分散装置を有している。分散したビームを生じ
させるため、複数の格子がこの初期的分散装置とクロス
(crossed)交差させられる。光検出器の2次元アレー
はビームを受ける。
れたビームを焦点合わせするための中低ミラーのような
焦点合わせ装置を有する、ことが出来、ここにおいて焦
点合わせ装置は固有の収差を分散されたビームの焦点合
わせに導くことができる。このような場合、複数の格子
の表面は都合よいことに、収差に関して実質的に補償す
るような形状となっている。
の光学分光装置10の3つの部分が存在し、すなわち光
放射源11、光学分光計12およびデータ処理ステーシ
ョン14である。放射源は赤外、可視および/または紫
外放射を発生する。この源は、たとえばその中に試験材
料のサンプルが注入される誘導結合プラズマ、または黒
鉛炉または類似のものである。いずれの場合でも、この
源は原子素子の発散線または吸収線を提供するように動
作する。他の光源もまた使用することが出来、たとえば
天文台の望遠鏡を通して光線が集められることもある。
スリット16を通過し、そして光線17は中低コリメー
タミラー18によって反射形階段格子分散格子20に向
けて反射される。この平坦な格子は、高いブレーズ角を
持つ鋸歯状溝21の比較的低い密度を持つもので、公知
または望ましい型式のものである。たとえば、この格子
はセンチメータあたり790の溝を持ち、63゜におい
てブレーズされており、そして高次スペクトルを発生さ
せる。ここにおいて「高次スペクトル」は少なくとも2
次が発生され、そして1次よりも高いことを意味してい
る。次数30から120が包括的に都合よく用いられ
る。特にこれが紫外光線を通過させ、そして分散させる
ことができるため、反射形格子が望ましいとしても、他
の実施例もまた、通過形格子のような第1回折のために
他の装置を用いることもできる。いずれにしてもこの第
1分散装置は、初期スペクトル23の形式で光放射を生
じさせる。
直角に向けられた、すなわち第1回折装置とクロス(cr
ossed)交差する分散線をもって第2階段格子22に向
かう。より一般的にいえば、「クロス(crossed)交
差」は、第2分散の方向が第1のそれと垂直であること
を意味している。第2格子22は、本実施例において示
されるように反射性であることが好都合であり、そして
比較的低い分散パワーをもって低次において用いられ、
そしてそのクロス(交差)(crossed)方向は第1格子
20からの次数を2次元スペクトルパターンに分離す
る。「低次数」はここでは次数が約5に等しいか、また
はそれよりも少ないことを意味しており、そして標準的
には第1次であることを意味している。
24に反射される。これら光線は、ここから中低球形反
射器26を通って、軸状平坦ミラー28および視野平坦
化レンズ30によってビームを検出器34上に焦点合わ
せする。格子22はミラー26の曲面54の、その光学
軸56上の中心にあることが望ましい。
を発生させ、それは線35上をコンピュータステーショ
ン14に向かう。コンピュータは信号情報を処理し、バ
ックグランドに関する補正を行い、構成を加え、そして
(本実施例においては)結果をサンプル内の原子素子の
濃度の形式で表示する。検出器は、小さな光検出器32
の2次元アレーとして形成することが望ましいが、しか
し逆に格子に相対的に位置決め出来る単独の光検出器で
あってもよい。検出器が、種々の場所に衝突する相当す
るスペクトル線の強度に比例する信号を生じるような、
固定された固体電荷転送装置で形成されればなお望まし
い。改善的には、検出器は、ここで参照されている前に
示された米国特許第4,820,048号において開示
されている型式の電荷結合素子(CCD)である。検出
器はその上に光感応ピクセルを持っておりそれらはその
上に焦点合わせされる選択されたスペクトル線の場所に
配置されており、そして隣接ピクセルはバックグランド
放射を検出するために用いられる。このピクセルはさら
に、たとえば可視および紫外それぞれをカバーする2つ
の範囲のような、いくつかのスペクトル範囲における放
射を検出するためにも設けられる。コンピュータは検出
器信号を読み出すために、線36上の装置をアドレスす
る。
の部分に分割された表面を持つような、複数の格子であ
る。この場合においては、境界37によって2つの部分
が分離されている。第1部分38は、第1の選択された
スペクトル範囲において分散ビーム24を発生するため
の第1溝40の構成配列を持っている。第2部分42
は、第1スペクトル範囲とは異なるが同じビーム方向を
持つ第2の選択されたスペクトル範囲において分散ビー
ムを生じさせるための第2の溝44の構成配列を持って
いる。たとえば、第1部分38は、ミリメートルあたり
375溝の溝密度と、そして紫外範囲である167から
405ナノメータ(nm)波長光線のスペクトル範囲に
関して6゜のような低ブレーズ角度を持ち、そして第2
部分42はセンチメータあたり187.5溝および、可
視である範囲405から766nmに関して6゜のよう
な類似の低ブレーズ角度を持っている。十分な放射を得
るために、第1の、紫外部分は第2の、可視部分より
も、たとえば約10倍、実質的に大きくされ、その結果
第2部分は全体領域の単に10%にすぎない。
らのスペクトルは、検出器34に向かう。コンピュータ
14を用いて、両方の範囲からの、選択されたスペクト
ル線が分析される。しかし、一方の範囲(特に可視範
囲)が他(紫外)範囲を妨害する可能性もある。
(図1の平面に垂直な平面において)可動性シャッタ4
6が複数の格子22に隣接して設けられ、その結果回折
表面の第1部分38または第2部分42を選択的に阻止
または露光させるようにする。そのようなシャッタは第
1または第2部分のいずれかを阻止するように移動出来
る。しかし、本実施例においては、紫外線は普通可視光
線を著しい妨害を起こさないので、シャッタは格子表面
の第2部分を阻止または露光させるよう位置決め出来る
だけで十分である。第2部分を阻止するようシャッタが
閉じられている時、可視範囲の検出器への分散が妨げら
れ、紫外放射が格子の第1部分から検出器に分散されそ
して通過する。(図2に示されるように)シャッタが可
視範囲を覆わないように開かれているとき、スペクトル
の両方の範囲が通過するが、しかし紫外線は一般的に検
出器上の可視光線に関するピクセル場所において可視検
出を妨害することはない。紫外放射に関しては、閉じら
れたシャッタが、可視光線から生じ得るスペクトルオー
バーラップを防止する。
るためにシャッタが第1部分を付加的に露光するよう位
置決めされている。別の実施例(図3)は、第1部分3
8’が実質的に、境界37’によって描かれる第2部分
42’よりも(たとえば10倍)大きく、溝構成配列4
0’、44’が変化していないように、格子22’が構
成配列される。そのような場合には、シャッタ46’が
第2部分のそれと実質的に同じ領域を持ち、そして第2
部分の露光のためにシャッタが第1部分の上を移動す
る。シャッタは第2部分に比べて比較的小さい(10
%)ので、これは紫外スペクトルにわずかな影響を与え
るのみである。この実施例は第2部分におけるシャッタ
のための余分な空間を必要としない。
囲を配慮するための簡単なシャッタ配置を提供するもの
であるが、本発明は他のスペクトル範囲または2つの範
囲以上にも拡大出来るものである。複数の部分は、適切
な格子密度を持つ第2格子上に形成され、そして描かれ
る。シャッタは格子の望ましい1つの部分または複数の
部分からの分散された放射を選択的に阻止および通過さ
せるよう構成配列される。表面部分の他の配置も用いら
れることは明らかであって、たとえば第2部分は格子か
ら横方向に、または振り出されるように移動できるシャ
ッタディスクを持つ、表面上の中心ディスク領域として
構成配列することもできる。シャッタまたは他の阻止装
置は、格子の直近にある必要はないが、しかし阻止目的
を達成するのに十分接近すべきである。
の露光からの、スペクトルにおけるいくらかの干渉があ
れば、干渉を受けないより小さなスペクトルの分散が分
析のために選択される。このことが望ましくないなら
ば、シャッタは他の露光の間格子の全ての各部分を選択
的に阻止するよう構成配列することもできる。
ましい方法、たとえば示されているようにソレノイド4
8およびロッドマウント49によって、位置決めに関し
て45のように移動させることが出来る。(示されてい
ない)他の可能な位置決め装置は、ウォームギアを持つ
ステッパモータ、または適切なリンクを持つハンドレバ
ーを有する、ことが出来、またはシャッタはステッパモ
ータに回転的に取り付けられたスロットに入れられたデ
ィスクまたは部分的なディスクであることも出来る。自
動的にまたは操作者入力のいずれかによってコンピュー
タから信号線44を通してセッティングを制御すること
は好都合である。そのような場合には、コンピュータ1
4内のプログラム43は、たとえばソフトウェアまたは
ファームウェアにおける「C」プログラミングであるよ
うな、分光計の主制御のそれと一般的に行われている方
法で変更される。
用いた選択は、コンピュータ14のプログラムにおける
検出器信号によって行われる。このことはシャッタの位
置決めと同期されるべきであり、ソレノイド48の位置
決めは線44を通して制御され、および/または検出さ
れる。たとえば、格子の両方の部分が露光されていると
き、紫外のオーバーラップのようないくらかのスペクト
ル的な干渉が存在するならば、帯域内の特定の非干渉ス
ペクトル線のみを、コンピュータプログラムによって選
択することも出来る。
2格子もまた検出器に近いスペクトルイメージの焦点合
わせにおける収差に関する補正を提供するよう構成配列
することもできる。特に、中低ミラー26は球形である
ことが好都合であるが、しかしこれは球形収差を招きか
ねない。そのような場合においては、第2格子22が、
平面からの曲面偏差を持つ格子表面を備えたシュミット
補正器として形成され、その結果この収差に関して少な
くとも実質的に補償することが出来る。そのような補正
は、本明細で参照されて取り入れられている、前に説明
された米国特許第3,521,943号において開示さ
れた方法で提供できる。
らの球形ミラーの偏差と同様である。図3を参照する
と、平面58からの格子表面形状50の偏差Dに関する
一般的な公式は、D=KX4+LX6+MX8+NX
10 である。
ける光学軸上に回転の中心を持ち、Xは軸から点まで
の、ミリメータにおける半径距離であり、ここでDが計
算され、そしてK、L、M、およびNは定数である。定
数は、放物線からのミラーの偏差に関する基本的な等式
からの一連の近似、反復または同様な手段によって求め
られ、そして経験的に洗練されることができる。40c
mの半径を持つミラーに関しては、ミリメータでの偏差
D対Xが与える適切な定数は、 K=1.675765×10−9 L=1.413948×10−14 M=−8.364417×10−19 N=9.628433×10−23 である。
トもまた、収差を生じさせる。そのような場合において
は、第2回折格子はそれら収差と同様、さらに実質的に
補償されるような形状とされる。
ット補正のために整形されたガラス基盤上にアルミニウ
ムコーティングを施すような、一般的な技術を用いて溝
を設けることにより形成される。続いて、複製方法が複
写のために用いられる。曲がった表面上の溝は、ホログ
ラフによって、または好ましければ一般的な方法におい
て平行線を持つ格子を線引きすることによって、公知の
または望ましい方法で形成される。
詳細に説明されたとはいえ、本発明の精神および添付さ
れた特許請求の範囲内にある種々の変化や変更が当業技
術者にとっては明らかになるであろう。こうして、本発
明は添付された特許請求の範囲またはそれらの訳文によ
ってのみ制限されることが強調される。
トルを検出するために改善された光学分光計を提供でき
る。
る、光学分光装置の概略図。
面、および図1の装置内に組み合わせられるシャッタの
外観図。
表面、および図1の装置内に組み合わせられるシャッタ
の外観図。
Claims (20)
- 【請求項1】 スペクトル的に分散されたビームを生じ
させるため、光放射を受ける複数の分散格子と、そして
そのスペクトル検出のためにビームを受け取る検出器装
置とを有する、様々の異なるスペクトル範囲の別個の検
出のための光学分光計において、 複数の分散格子は、第1表面部分と第2表面部分とを備
えた格子表面を有し、前記第1部分は第1スペクトル範
囲において分散されたビームを生じさせるための第1溝
構成配列を持ち、そして第2部分は第1スペクトル範囲
と異なる第2スペクトル範囲において分散されたビーム
を生じさせるための第2溝構成配列を有することを特徴
とする光学分光計。 - 【請求項2】 初期スペクトルの形で光放射を生じさせ
るため、源放射を受ける初期分散装置を有し、ここで、
複数の格子は分散されたビームを生じさせるため初期分
散装置と交差しており、また、ビームを受ける光検出器
の2次元アレーを備えた検出器装置を有する請求項第1
項記載の分光計。 - 【請求項3】 初期分散装置が初期反射分散格子を有
し、そして複数の分散格子が反射性であるような、請求
項第2項記載の分光計。 - 【請求項4】 分散されたビームを検出装置に焦点合わ
せするための焦点合わせ装置を有し、該焦点合わせ装置
は焦点合わせに固有の収差を取り込み、そして格子表面
は実質的にこの収差を補償するように輪郭づけられてい
る請求項第1項記載の分光計。 - 【請求項5】 検出のために第1スペクトル範囲または
第2スペクトル範囲を選択するよう、格子表面の第1部
分または第2部分を選択的に阻止するための選択装置を
さらに有する、ような、請求項第1項記載の分光計。 - 【請求項6】 初期スペクトルの形で光放射を生じさせ
るよう源放射を受け取る初期分散装置を有し、ここにお
いて、分散されたビームを生じさせるため複数の格子が
初期分散装置と交差しており、そして検出器装置はビー
ムを受け取る光検出器の2次元アレーを有する請求項第
5項記載の分光計。 - 【請求項7】 初期分散装置が初期反射形分散格子を有
し、そして複数の分散格子が反射性であるような、請求
項第5項記載の分光計。 - 【請求項8】 分散されたビームを検出装置に焦点合わ
せするための焦点合わせ装置、ここにおいて焦点合わせ
装置は焦点合わせ内に固有の収差を持ち込み、そして格
子表面はこの収差を実質的に補償するように輪郭づけら
れている請求項第5項記載の分光計。 - 【請求項9】 選択装置が、格子表面の第部分または第
2部分を選択的に阻止または露光させるよう設けられた
シャッタを有する請求項第5項記載の分光計。 - 【請求項10】 第2範囲が第1範囲の検出と干渉し、
そして第1範囲は実質的に第2範囲の検出と干渉するこ
とがないように第1スペクトル範囲および第2スペクト
ル範囲の両方を検出出来るよう検出器装置が構成配列さ
れており、そして選択装置は第1範囲を連続的に露光し
ている間、格子表面の第2部分を阻止または露光のいず
れかに位置決めすることが出来るシャッタを有してお
り、これによって検出に関する第1スペクトル範囲また
は第2スペクトル範囲を選択することが出来るような、
請求項第5項記載の分光計。 - 【請求項11】 初期スペクトルの形で光放射を生じさ
せるため、源放射を受ける初期分散装置をさらに有
し、、ここにおいて複数の格子は分散されたビームを生
じさせるため、初期分散装置とクロス(crossed)交差
しており、そして前記検出器装置はビームを受ける光検
出器の2次元アレーを有しているような、請求項第10
項記載の分光計。 - 【請求項12】 初期分散装置が初期分散格子を有
し、、そして複数の分散格子が反射的であるような、請
求項第11項記載の分光計。 - 【請求項13】 第1溝構成配列は、第1スペクトル範
囲が実質的に紫外であり、そして第2溝構成配列は第2
スペクトル範囲が実質的に可視であるような、請求項第
12項記載の分光計。 - 【請求項14】 分散されたビームを検出装置に焦点合
わせするための、焦点合わせ装置をさらに有し、該焦点
合わせ装置は分散ビームの焦点合わせに固有の収差をも
たらし、そして格子表面はこの収差に関して実質的に補
償するように輪郭づけられている、請求項第13項記載
の分光計。 - 【請求項15】 第2部分を露光するために、シャッタ
が付加的に第1部分を露光するよう位置決めされるよう
な、請求項第10項記載の分光計。 - 【請求項16】 第1部分が実質的に第1部分よりも大
きく、シャッタは第2部分のそれと実質的に同じ領域を
持ち、そして第2部分を露光するために、シャッタは第
1部分を覆うように位置決めされるような、請求項第1
0項記載の分光計。 - 【請求項17】 第1スペクトル範囲が第2範囲におけ
るあるスペクトル線と干渉し、検出器装置は各スペクト
ル範囲におけるスペクトル線を表す信号を生じさせるよ
う構成配列され、選択装置は、第1部分を連続的に露光
している間、格子表面の第2部分を阻止または露光のい
ずれかに位置決め出来るような、シャッタを有し、、こ
れによって検出のために第1スペクトル範囲または第2
スペクトル範囲を選択し、分光計はさらに、そこからの
選択されたスペクトル線を分析するために信号を受ける
コンピュータ装置を有し、、第2スペクトル範囲におけ
る選択されたスペクトル線は、第1スペクトル範囲から
の著しい干渉を持たないような線であるような、請求項
第5項記載の分光計。 - 【請求項18】 検出器装置が、各スペクトル範囲にお
けるスペクトル線を表す信号を発生するよう構成配列さ
れ、そして分光計がさらに、そこからの選択されたスペ
クトル線を分析するために信号を受け取るコンピュータ
装置を有し、、選択されたスペクトル線は第1スペクト
ル範囲、または第2スペクトル範囲にあるように選択さ
れるような、請求項第1項記載の分光計。 - 【請求項19】 第1スペクトル範囲が第2範囲におけ
るあるスペクトル線と干渉し、第2スペクトル範囲にお
ける選択されたスペクトル線は第1スペクトル範囲から
の著しい干渉を持たないような線であるような、請求項
第18項記載の分光計。 - 【請求項20】 光線のスペクトル分散を生じさせるた
めの格子において、 複数の格子が設けられており、該格子は第1表面部分と
第2表面部分を有する、格子表面を持ち、第1部分は第
1スペクトル範囲において分散されたビームを表示させ
るための第1溝構成配列を持ち、そして第2部分は第1
スペクトル範囲と異なる第2スペクトル範囲において分
散されたビームを生じさせるための第2溝構成配列を持
つことを特徴とする格子。
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