DE19708658A1 - Method and device for manipulating particles and use of such a method or device - Google Patents

Method and device for manipulating particles and use of such a method or device

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Abstract

In a process for moving a particle, the same is exposed to a gaseous atmosphere, causing the formation of an adsorbate (16) on the particle surface (14). By a concerted energy supply, in particular in the form of a particle beam (17), to a limited region (18) of the particle surface (14), the adsorbate (16) located in this region (18) is desorbed, generating individual pulses which act on the particle (10) according to the reaction principle and which lead to a total or net pulse, thus causing the particle (10) to move.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Manipulation von Partikeln, insbesondere unter reduzierter Schwerkraft und/oder in einer Umgebung mit lediglich geringem Gasdruck, sowie die Verwendung eines derartigen Verfahrens bzw. einer derartigen Vorrichtung.The invention relates to a method and a device for manipulating particles, especially under reduced gravity and / or in an environment with only low gas pressure, as well as the use of a such a method or such a device.

Für eine Vielzahl von Experimenten mit Partikeln ist es oftmals wünschenswert, diese gezielt manipulieren, ins­ besondere gezielt bewegen zu können. Mechanische Verfahren scheitern zum einen wegen der lediglich geringen Größe der Partikel und zum anderen auch deshalb, weil die Verweil­ dauer der Partikel in einem Beobachtungsvolumen nur gering ist.It is for a variety of experiments with particles often desirable to manipulate them specifically, ins to be able to move specifically. Mechanical processes fail on the one hand because of the small size of the Particles and also because the lingering duration of the particles in an observation volume is only short is.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Manipulation von Partikeln zu schaffen, die es erlauben, die Partikel gezielt bewegen zu können. The invention has for its object a method and a device for manipulating particles create that allow the particles to move in a targeted manner can.  

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Ver­ fahren zum Manipulieren eines Partikels, insbesondere unter reduzierter Schwerkraft und/oder in einer Umgebung mit lediglich geringem Gasdruck vorgeschlagen, bei dem
To achieve this object, the invention proposes a method for manipulating a particle, in particular under reduced gravity and / or in an environment with only low gas pressure, in which

  • - auf der Oberfläche des Partikels Adsorbat-Atome und/oder -Moleküle entstehen und- Adsorbate atoms on the surface of the particle and / or molecules arise and
  • - durch gezielte Einbringung von Energie innerhalb eines begrenzten Bereichs der Oberfläche des Partikels sich dort befindende Adsorbat-Atome und/oder -Moleküle desorbieren, wobei durch die Desorption ein auf das Partikel wirkender Gesamtimpuls zur Bewegung des Partikels entsteht.- through the targeted introduction of energy within a limited area of the surface of the particle itself adsorbate atoms and / or molecules located there desorb, with a desorption on the Total particle impulse to move the Particle arises.

Ein derartiges Verfahren läßt sich insbesondere unter Zurhilfenahme einer Vorrichtung realisieren, die erfindungsgemäß versehen ist mit
Such a method can be implemented in particular with the aid of a device which is provided with according to the invention

  • - einer Kammer zur Aufnahme des Partikels, wobei in die Kammer ein Gas einleitbar ist, das unter Entstehung von Adsorbat-Atomen und/oder -Molekülen auf der Ober­ fläche des Partikels adsorbiert, und- A chamber for receiving the particle, being in the Chamber a gas can be introduced, which is under formation of adsorbate atoms and / or molecules on the surface surface of the particle adsorbed, and
  • - einer Energie-Erzeugungsvorrichtung zur Erzeugung eines auf einen lokal begrenzten Bereich der Oberfläche des Partikels richtbaren Teilchenstrahls, dessen Teilchen eine zur Desorption mindestens einiger der sich in diesem Bereich der Partikeloberfläche befindenden Adsorbat-Atome und/oder -Moleküle aus­ reichende Energie aufweisen, wobei ein auf das Partikel wirkender Gesamtimpuls zur Bewegung des Partikels entsteht.- An energy generation device for generation one to a local area of the Surface of the particle directional particle beam, whose particles are for desorption of at least some which is in this area of the particle surface located adsorbate atoms and / or molecules have sufficient energy, one on the Total particle impulse to move the Particle arises.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die Hand­ habung von Partikeln durch Impulsübertragung nach dem Rückstoßprinzip durchzuführen. Erfindungsgemäß erfolgt die Impulsübertragung auf das Partikel durch induzierte Desorption von an der Partikeloberfläche adsorbierten Atomen oder Molekülen. Die Desorption dieses Adsorbats wird erfindungsgemäß durch gezieltes Einbringen von Energie auf die Partikeloberfläche ausgelöst. Damit die Desorption des Adsorbats zu einer Bewegung des Partikels führt, muß der auf das Partikel wirkende Gesamtimpuls zu einer Bewegung des Partikels in der gewünschten Richtung führen. Dies läßt sich erfindungsgemäß dadurch erreichen, daß die Desorption des Adsorbats nur in einem Teilbereich der Partikeloberfläche ausgelöst wird. Dieser Teilbereich der Oberfläche ist der gewünschten Bewegungsrichtung des Partikels abgewandt. Durch entsprechende Ausrichtung der auf die Oberfläche des Partikels auftreffenden Energie kann somit dem Partikel eine Bewegung in einer gewünschten Richtung verliehen werden. Auf diese Weise lassen sich einzelne Partikel gezielt ansprechen.The basic idea of the invention is the hand particles by impulse transmission after the Recoil principle. According to the invention Impulse transmission to the particle by induced Desorption of adsorbed on the particle surface Atoms or molecules. The desorption of this adsorbate  is according to the invention by the targeted introduction of Energy triggered on the particle surface. So that Desorption of the adsorbate to a movement of the particle leads to the total momentum acting on the particle a movement of the particle in the desired direction to lead. According to the invention, this can be achieved by that the desorption of the adsorbate only in a partial area the particle surface is triggered. This section the surface is the desired direction of movement of the Particle turned away. By appropriate alignment of the energy hitting the surface of the particle can thus make the particle move in a desired Direction. This way target individual particles.

Durch die induzierte Desorption verursachte Verluste an Adsorbat-Atomen bzw. -Molekülen können durch Adsorption aus einer das Partikel umgebenden Gasphase ausgeglichen werden. Induzierte Desorption und somit Impuls­ übertragungen können somit mehrfach hintereinander aus­ geführt werden (isotrope Adsorption und anisotrope Desorption).Losses caused by the induced desorption Adsorbate atoms or molecules can by adsorption balanced from a gas phase surrounding the particle will. Induced desorption and thus impulse This means that transfers can be made several times in succession (Isotropic adsorption and anisotropic Desorption).

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vor­ gesehen, die (Desorptions-)Energie zur Induzierung der Desorption von Adsorbat-Atomen und/oder -Molekülen durch Auftreffen von Teilchen auf die Oberfläche des Partikels einzubringen. Die Teilchen weisen eine für die Desorption des Adsorbats ausreichende Energie auf. Insbesondere wird die Energie durch einen Photonen-, Elektronen- oder Laser­ strahl aufgebracht.In an advantageous development of the invention is before seen the (desorption) energy to induce the Desorption of adsorbate atoms and / or molecules by Impact of particles on the surface of the particle bring in. The particles have one for desorption sufficient energy of the adsorbate. In particular the energy by a photon, electron or laser beam applied.

Die Desorptionseigenschaften und damit die Impuls­ übertragung auf das Partikel sind abhängig von den Eigen­ schaften des Adsorbat-Partikel-Systems und der die induzierte Desorption auslösenden Energie. Dies kann aus­ genutzt werden, um unterschiedliche Partikel zu sortieren und zu selektieren. Durch geeignete Wahl der Adsorbate und/oder der die Desorption aus lösenden Energien können also Partikel nach ihrer Masse, ihrer Größe und/oder ihrer Oberflächeneigenschaften unterschiedlich manipuliert und somit prinzipiell auch selektiert werden.The desorption properties and thus the momentum The transfer to the particle depends on its own properties of the adsorbate particle system and the induced desorption triggering energy. This can be done  can be used to sort different particles and to select. By suitable choice of the adsorbates and / or the desorption from dissolving energies thus particles according to their mass, their size and / or their Surface properties manipulated differently and thus, in principle, can also be selected.

Mit der Erfindung lassen sich also Partikel beispielsweise gezielt positionieren, um sie z. B. zusammenzulagern. Ferner können Partikel gezielt aus einem vorgegebenen Bereich entfernt werden. Schließlich lassen sich unter­ schiedliche Partikel aussortieren und selektieren. Die Erfindung ist vorzugsweise geeignet zur Handhabung von Partikeln unter reduzierter Schwerkraft und/oder in einer Umgebung mit lediglich geringem Gasdruck (beispielsweise 10-6 mbar).With the invention, for example, particles can be specifically positioned to z. B. to store together. Furthermore, particles can be removed from a specified area in a targeted manner. Finally, different particles can be sorted out and selected. The invention is preferably suitable for handling particles under reduced gravity and / or in an environment with only low gas pressure (for example 10 -6 mbar).

All die vorgenannten Verwendungsmöglichkeiten der Erfindung basieren darauf, daß Adsorbat von der Oberfläche eines Partikels gezielt abgelöst wird, und zwar durch eine durch Einbringung von Energie induzierte Desorption. Die Desorption von Adsorbat von einer Oberfläche durch Ein­ bringen von Energie auf die Oberfläche ist an sich bekannt. Bei der Erfindung jedoch wird die Desorption gezielt in einem lokal begrenzten Bereich der Oberfläche ausgelöst, so daß es zu einem Gesamt- bzw. Nettoimpuls kommt, der ungleich 0 ist und dem Partikel eine Beschleunigung und Bewegung in einer gewünschten Richtung verleiht.All the aforementioned uses of the Invention are based on adsorbate from the surface of a particle is deliberately replaced by a Desorption induced by energy. The Desorption of adsorbate from a surface by a bringing energy to the surface is in itself known. In the invention, however, desorption targeted in a localized area of the surface triggered so that it becomes a total or net pulse comes, which is not equal to 0 and the particle one Acceleration and movement in a desired direction gives.

Sofern im Rahmen dieser Erfindung davon die Rede ist, daß die Partikel durch Impulsübertragung gezielt bewegt werden, so ist damit der Gesamtimpuls gemeint, der sich aus den beim Desorbieren des Adsorbats entstehenden Einzelimpulsen zusammensetzt. Selbstverständlich wird den Partikeln beim Auftreffen der energiegeladenen Teilchen zur Einbringung von Energie ebenfalls ein Impuls ver­ liehen. Die Größe dieses Impulses soll aber im Vergleich zu dem sich aus dem Ablösen des Adsorbats ergebenden Gesamtimpuls verschwindend sein, so daß erfindungsgemäß die Manipulation der Partikel nahezu ausschließlich durch die gezielte, örtlich begrenzte, induzierte Desorption erfolgt.If it is mentioned in the context of this invention that the particles are moved in a targeted manner by pulse transmission are meant the total impulse that is from those arising when the adsorbate is desorbed Individual impulses. Of course, the Particles upon impact with the energetic particles  for the introduction of energy also an impulse ver lent. The size of this pulse should be compared to that resulting from the detachment of the adsorbate Total pulse be vanishing, so that according to the invention the manipulation of the particles almost exclusively by targeted, localized, induced desorption he follows.

Nachfolgend werden anhand der Figuren die Grundlagen der Erfindung nochmals verdeutlicht und als ein Beispiel für eine Anwendung der Erfindung eine Sortiervorrichtung erläutert. Im einzelnen zeigen:The basics of Invention clarified again and as an example of an application of the invention a sorting device explained. In detail show:

Fig. 1 eine zeichnerische Darstellung des der Erfindung zugrundeliegenden Prinzips der Impulsübertragung auf ein Partikel durch gezielte induzierte Desorption von Adsorbat auf der Oberfläche des Partikels und Fig. 1 is a graphical representation of the principle underlying the invention of the momentum transfer to a particle by targeted induced desorption of adsorbate on the surface of the particle and

Fig. 2 schematisch eine Sortiervorrichtung zum Sortieren eines Stroms von Partikeln zweier unterschiedlicher Arten. Fig. 2 schematically shows a sorting device for sorting a stream of particles of two different types.

Fig. 1 zeigt ein Partikel 10, das sich in einer Gas­ atmosphäre geringen Drucks innerhalb einer Kammer 11 befindet. Die Gasmoleküle 12 adsorbieren auf der Ober­ fläche 14 des Partikels 10 und bilden dort Adsorbat-Atome bzw. -Moleküle 16 (nachfolgend Adsorbat genannt). Mittels eines Photonen- oder Teilchen-Strahls 17 wird Energie in einen lokal begrenzten Bereich 18 der Partikel­ oberfläche 14 eingebracht. Aufgrund des Energieeintrags löst sich das Adsorbat 16 in diesem Partikeloberflächen­ bereich 18 ab; die desorbierten Adsorbat-Atome bzw. -Moleküle sind in Fig. 1 mit 20 bezeichnet. Durch das Ablösen des Adsorbats 16 aus dem Bereich 18 der Partikel­ oberfläche 14 kommt es in Folge des Rückstoßes zu einer Vielzahl von auf das Partikel 10 wirkenden Impulsen, die zu einem Gesamtimpuls führen. Aufgrund dieses Gesamtimpuls bewegt sich das Partikel 10 in Richtung des Pfeils 22. Damit es also zu einer Bewegung des Partikels in Richtung des Pfeils 22 kommt, wird in demjenigen Bereich 18 der Partikeloberfläche 14, der der Bewegungsrichtung 22 abgewandt ist, gezielt Energie (und zwar durch den von der Energieerzeugungsvorrichtung 24 ausgesandten Photonen- oder Teilchen-Strahls 17) eingebracht, die zu einer induzierten Desorption des Oberflächenadsorbats 16 führt. Fig. 1 shows a particle 10 , which is located in a gas atmosphere of low pressure within a chamber 11 . The gas molecules 12 adsorb on the upper surface 14 of the particle 10 and form adsorbate atoms or molecules 16 (hereinafter called adsorbate). By means of a photon or particle beam 17 , energy is introduced into a locally limited area 18 of the particle surface 14 . Because of the energy input, the adsorbate 16 detaches in this particle surface area 18 ; the desorbed adsorbate atoms or molecules are designated by 20 in FIG. 1. By detaching the adsorbate 16 from the area 18 of the particle surface 14 , the recoil results in a large number of pulses acting on the particle 10 , which lead to an overall pulse. Because of this total impulse, the particle 10 moves in the direction of the arrow 22 . So that there is a movement of the particle in the direction of arrow 22 , energy is targeted in that area 18 of the particle surface 14 that faces away from the direction of movement 22 (specifically by the photon or particle beam 17 emitted by the energy generating device 24 ) introduced, which leads to an induced desorption of the surface adsorbate 16 .

Das anhand von Fig. 1 erläuterte Prinzip kann beispiels­ weise eingesetzt werden, um einen aus zwei unterschied­ lichen Arten von Partikeln bestehenden Partikelstrom in zwei Teilströme jeweils gleichartiger Partikel zu unter­ teilen. Die hierfür verwendete und in Fig. 2 schematisch gezeigte Sortiervorrichtung 30 weist ein Gehäuse 32 auf, in dem sich eine Kammer 34 befindet. In die Kammer 34 führt ein Einlaßkanal 35 hinein. Ferner gehen von der Kammer 34 zwei Auslaßkanäle 36, 38 ab. Der zu sortierende Partikelstrom 40 gelangt über den Einlaßkanal 35 in die Kammer 34 hinein. Der Partikelstrom 40 weist zwei unter­ schiedliche Arten 42, 44 von Partikeln auf. Sämtliche Partikel 42, 44 durchlaufen einen Photonen- oder Teilchenstrahl 46, dessen Teilchen auf die der Photonen- oder Teilchenstrahl-Erzeugungsvorrichtung 48 zugewandten Bereiche der Partikeloberflächen auftreffen. Der Strahl 46 trifft in einem Winkel ungleich Null Grad (im gezeigten Fall etwa 90°) zur Strömungsrichtung des Partikelstroms 40 auf die Partikel 42, 44 auf.The principle explained with reference to FIG. 1 can be used, for example, to divide a particle stream consisting of two different types of particles into two partial streams of particles of the same type. The sorting device 30 used for this and shown schematically in FIG. 2 has a housing 32 in which a chamber 34 is located. An inlet channel 35 leads into the chamber 34 . Furthermore, two outlet channels 36 , 38 extend from the chamber 34 . The particle stream 40 to be sorted enters the chamber 34 via the inlet channel 35 . The particle stream 40 has two different types 42 , 44 of particles. All particles 42 , 44 pass through a photon or particle beam 46 , the particles of which impinge on the areas of the particle surfaces facing the photon or particle beam generating device 48 . The beam 46 strikes the particles 42 , 44 at an angle not equal to zero degrees (in the case shown about 90 °) to the direction of flow of the particle stream 40 .

Die Unterteilung des Partikelstroms 40 in die beiden Teilströme 50, 52, die ausschließlich Partikel 42 bzw. 44 aufweisen, erfolgt beispielsweise dadurch, daß die Energie der Teilchen des Strahls 46 ausreichend ist, um Adsorbat, welches sich auf der Oberfläche der Partikel 42 befindet, gezielt zu desorbieren. Demgegenüber ist die Energie der Teilchen des Strahls 46 zu gering, um das Oberflächen­ adsorbat der Partikel 44 abzulösen. Als Folge davon wiederum erfahren lediglich die Partikel 42 eine Ablenkung, da lediglich bei diesen Partikeln 42 Adsorbat desorbiert und es damit zu die Partikel 42 auslenkenden Impulsen kommt. Die Partikel 42 strömen über den ersten Auslaßkanal 36 ab, während die Partikel 44 über den zweiten Auslaßkanal 38 abströmen. Damit ist es zu einer Aufteilung des Partikelstroms 40 in die beiden Teil­ ströme 50, 52 gekommen.The subdivision of the particle stream 40 into the two sub-streams 50 , 52 , which only have particles 42 and 44 , takes place, for example, in that the energy of the particles of the jet 46 is sufficient to adsorbate which is on the surface of the particles 42 , to desorb specifically. In contrast, the energy of the particles of the beam 46 is too low to detach the surface adsorbate of the particles 44 . As a consequence, only the particles 42 experience a deflection, since only with these particles 42 adsorbate is desorbed and thus particles 42 are deflected. The particles 42 flow out via the first outlet channel 36 , while the particles 44 flow out via the second outlet channel 38 . This has resulted in a division of the particle stream 40 into the two sub-streams 50 , 52 .

Claims (7)

1. Verfahren zum Manipulieren eines Partikels, ins­ besondere unter reduzierter Schwerkraft und/oder in einer Umgebung mit geringem Gasdruck, bei dem
  • - auf der Oberfläche (14) des Partikels (10) Adsorbat-Atome und/oder -Moleküle (16) entstehen und
  • - durch gezielte Einbringung von Energie innerhalb eines begrenzten Bereichs (18) der Oberfläche (14) des Partikels (10) sich dort befindende Adsorbat- Atome und/oder -Moleküle (16) desorbieren, wobei durch die Desorption ein auf das Partikel (10) wirkender Gesamtimpuls zur Bewegung des Partikels (10) entsteht.
1. Method for manipulating a particle, in particular under reduced gravity and / or in an environment with low gas pressure, in which
  • - On the surface ( 14 ) of the particle ( 10 ) adsorbate atoms and / or molecules ( 16 ) arise and
  • - Desorbing the adsorbate atoms and / or molecules ( 16 ) located there by targeted introduction of energy within a limited area ( 18 ) of the surface ( 14 ) of the particle ( 10 ), with a desorption onto the particle ( 10 ) effective total impulse for the movement of the particle ( 10 ) arises.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbringung der Energie durch Auftreffen von Teilchen mit einer für die Desorption der Adsorbat- Atome und/oder -Moleküle (16) geeigneten Energie erfolgt.2. The method according to claim 1, characterized in that the introduction of the energy takes place by impacting particles with a suitable for the desorption of the adsorbate atoms and / or molecules ( 16 ). 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Energie durch einen Photonen-, Elektronen- oder Laserstrahl (17) aufgebracht wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the energy is applied by a photon, electron or laser beam ( 17 ). 4. Vorrichtung zum Manipulieren eines Partikels, ins­ besondere unter reduzierter Schwerkraft und/oder in einer Umgebung mit geringem Gasdruck, mit
  • - einer Kammer (11; 34) zur Aufnahme des Partikels (10; 42; 44), wobei in die Kammer (11; 34) ein Gas (12) einleitbar ist, das unter Entstehung von Adsorbat-Atomen und/oder -Molekülen (16) auf der Oberfläche (14) des Partikels (10; 42; 44) adsorbiert, und
  • - einer Energie-Erzeugungsvorrichtung (24; 48) zur Erzeugung eines auf einen lokal begrenzten Bereich (18) der Oberfläche (14) des Partikels (10; 42; 44) richtbaren Teilchen­ strahls (17, 46), dessen Teilchen eine zur Desorption mindestens einiger der sich in diesem Bereich (18) der Partikeloberfläche (14) befinden­ den Adsorbat-Atome und/oder -Moleküle (16) aus­ reichende Energie aufweisen, wobei ein auf das Partikel (10; 42; 44) wirkender Gesamtimpuls zur Bewegung des Partikels (10; 42; 44) entsteht.
4. Device for manipulating a particle, in particular under reduced gravity and / or in an environment with low gas pressure
  • - A chamber ( 11 ; 34 ) for receiving the particle ( 10 ; 42 ; 44 ), wherein a gas ( 12 ) can be introduced into the chamber ( 11 ; 34 ), which forms adsorbate atoms and / or molecules ( 16 ) adsorbed on the surface ( 14 ) of the particle ( 10 ; 42 ; 44 ), and
  • - An energy generating device ( 24 ; 48 ) for generating a on a locally limited area ( 18 ) of the surface ( 14 ) of the particle ( 10 ; 42 ; 44 ) directional particle beam ( 17 , 46 ), the particles of which at least one for desorption Some of the ( 18 ) of the particle surface ( 14 ) located in the adsorbate atoms and / or molecules ( 16 ) have sufficient energy, with an overall pulse acting on the particle ( 10 ; 42 ; 44 ) for moving the particle ( 10 ; 42 ; 44 ) arises.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie-Erzeugungsvorrichtung (24; 48) einen Photonen-, einen Elektronen- oder einen Laser­ strahl (17; 46) erzeugt.5. The device according to claim 4, characterized in that the energy generating device ( 24 ; 48 ) generates a photon, an electron or a laser beam ( 17 ; 46 ). 6. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder der Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5 zum gezielten Positionieren von Partikeln (10; 42; 44) zwecks Ansammlung derselben, indem die Energie­ einbringung auf ausgewählte der Partikel (10; 42; 44) erfolgt.6. Use of the method according to one of claims 1 to 3 or the device according to claim 4 or 5 for the targeted positioning of particles ( 10 ; 42 ; 44 ) for the purpose of accumulation thereof by introducing the energy onto selected ones of the particles ( 10 ; 42 ; 44 ) he follows. 7. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder der Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5 zum Sortieren und/oder Selektieren von bezüglich ihrer Masse, ihrer Größe und/oder ihrer Oberflächen­ eigenschaften unterschiedlichen Partikeln (10; 42; 44), wobei die Partikel (10; 42; 44) in einem Partikel­ strom (40) strömen und die Energieeinbringung in einer zur Richtung des Partikelstrahls (40) winklig ver­ laufenden Richtung erfolgt.7. Use of the method according to one of claims 1 to 3 or the device according to claim 4 or 5 for sorting and / or selecting particles ( 10 ; 42 ; 44 ) which differ in terms of their mass, size and / or surface properties, wherein the particles ( 10 ; 42 ; 44 ) flow in a particle stream ( 40 ) and the energy is introduced in a direction perpendicular to the direction of the particle beam ( 40 ).
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