JP2019175746A - 放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】点灯と消灯とを繰り返す放電ランプにおいて、点灯直後にコイルの端部へアークスポットが形成されることを抑制するとともに、放電ランプの不点灯の発生を抑制する放電ランプを提供する。【解決手段】実施形態によれば、放電ランプは、発光管と、電極と、金属筒体と、金属箔と、アウターリードと、を有し、紫外線を放出する。発光管は、放電空間を有する。電極は、放電空間の両側に設けられ、放電空間に延びて設けられる電極軸および電極軸の放電空間側にコイルを有する。金属筒体は、コイルと発光管の間に設けられる。金属箔は、電極と接続される。アウターリードは、金属箔と接続される。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、放電ランプに関する。

紫外線を放出する光源として、例えば、液晶製造工程での封止用接着剤の硬化や、印刷工程における紫外線硬化インクの硬化に用いる放電ランプが用いられている。紫外線を放出する放電ランプには、紫外線を放出する水銀の他に、鉄、スズ、タリウム、マグネシウム、ビスマス等の金属とハロゲン物質の混合物であるメタルハライドを封入した、メタルハライドランプが開示されている。液晶製造工程で用いられる場合、メタルハライドランプは常時通電されて用いられるが、接着剤の材料評価用途等、材料試験評価実験で用いられる場合、一日に数回、放電ランプの点灯と消灯とを繰り返す場合がある。

特開２０１５−１８５２６１号公報 特開２０１２−１６０３３０号公報

従来の実施例を図７に示す。放電ランプ１００に通電して点灯した直後の数秒〜数十秒間は、電極軸２２先端の温度が熱電子放出に必要な温度（２５００〜３０００℃）に上昇していないために、電極軸２２の先端以外の電極表面にアークスポットが形成されることがある。

このような放電ランプ１００を、点灯と消灯とを繰り返す、いわゆる点滅点灯の条件で用いると、点灯直後に数秒〜数十秒間、電極２０のコイル２４の一端に生じるアークスポットの熱が筒体３２および封止部１４に伝わって高温となる。一方、放電ランプ１００の消灯時には、筒体３２および封止部１４の温度が室温まで下がる。このために、放電ランプ１００の点灯と消灯の繰り返しで生じる封止部１４の膨張や収縮の繰り返し、いわゆる熱履歴により、点灯と消灯との繰り返しで筒体３２と封止部１４に生じる歪が大きくなり、封止部１４のクラックの原因となる。よって、点滅点灯を繰り返すことで、発光管１０からのリークにより放電ランプ１００の不点灯に至る場合がある。

本発明の実施形態は、点灯と消灯とを繰り返す放電ランプにおいて、点灯直後にコイルの端部へアークスポットが形成されることを抑制するとともに、放電ランプの不点灯の発生を抑制する放電ランプを提供する。

本発明の実施形態によれば、放電ランプは、発光管と、電極と、金属筒体と、金属箔と、アウターリードと、を有し、紫外線を放出する。発光管は、放電空間を有する。電極は、放電空間の両側に設けられ、放電空間に延びて設けられる電極軸および電極軸の放電空間側にコイルを有する。金属筒体は、コイルと発光管の間に設けられる。金属箔は、電極と接続される。アウターリードは、金属箔と接続される。

本発明の実施形態によれば、点灯と消灯とを繰り返す放電ランプにおいて、点灯直後にコイルの端部へアークスポットが形成されることを抑制するとともに、放電ランプの不点灯の発生を抑制する放電ランプを提供することができる。

図１は、第１の実施形態に係る放電ランプ１を例示する模式図である。 図２は、第１の実施形態に係る放電ランプ１の一方の電極２０の近傍を拡大した図である。 図３は、第１の実施形態に係る放電ランプ１および従来の放電ランプ１００の点灯時間と紫外線照度維持率の関係を示す図である。 図４は、第１の実施形態に係る放電ランプ１の変形例１を例示する模式図である。 図５は、第１の実施形態に係る放電ランプ１の変形例２を例示する模式図である。 図６は、第１の実施形態に係る放電ランプ１に設けられる金属筒体３４の変形例を例示する模式図である。 図７は、従来例の放電ランプ１００を例示する模式図である。

以下で説明する実施形態に係る放電ランプ１，２，３，４，５，６は、発光管１０と、一対の電極２０，２０と、金属筒体３４と、金属箔２６と、アウターリード２８と、を有し、紫外線を放出する。発光管１０は、放電空間１２を有する。一対の電極２０，２０は、放電空間１２の両端に設けられ、放電空間１２に延びて設けられる電極軸２２および電極軸２２の放電空間１２側にコイル２４を有する。金属筒体３４は、コイル２４と発光管１２の間に設けられる。金属箔２６は、電極２２と接続される。アウターリード２８は、金属箔２６と接続される。放電ランプ１，２，３，４，５，６は、紫外線を放出する。

本実施形態によれば、点灯と消灯とを繰り返す放電ランプ１，２，３，４，５，６において、点灯直後にコイル２４の端部へアークスポットが形成されることを抑制するとともに、放電ランプ１，２，３，４，５の不点灯の発生を抑制することができる。

また、以下で説明する実施形態に係る放電ランプ１，２，３，６において、金属筒体３４の放電空間１２側の端部は、コイル２４の一端を覆う。

本実施形態によれば、点灯と消灯とを繰り返す放電ランプにおいて、点灯直後にコイルの端部へアークスポットが形成されることを抑制するとともに、放電ランプの不点灯の発生を抑制することができる。

また、以下で説明する実施形態に係る放電ランプ４，５において、金属筒体３４の放電空間１２側の端部は、コイル２４よりも発光管１０の内壁側に設けられる。

本実施形態によれば、アークが発光管１０の放電空間１２側の内面に接触することを抑制することができる。

また、以下で説明する実施形態に係る放電ランプ１，２，３，４，５，６において、金属筒体３４の表面には、金属酸化物層が形成される。

本実施形態によれば、点灯と消灯とを繰り返す放電ランプにおいて、点灯直後にコイルの端部へアークスポットが形成されることを抑制するとともに、放電ランプの不点灯の発生を抑制することができる。

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

（第１の実施形態）

第１の実施形態に係る放電ランプについて、図１を用いて説明する。図１は、放電ランプ１を例示している。

図１に示したように、本実施形態に係る放電ランプ１は、発光管１０と、一対の電極、２０，２０とを有する。

発光管１０は、直管状に形成され、内部に放電空間１２を有する。また、発光管１０の両端には封止部１４，１４が形成されることで、放電空間１２を気密に保つ。発光管１０は、紫外線を透過する材料で構成されており、例えば石英ガラスで構成される。発光管１０は、外径が２６ｍｍ、長手方向の長さ（いずれかの発光管１０における一方の封止部１４−他方の封止部１４の距離）が１２００ｍｍである。

放電空間１２には、封止部１４，１４の外部より電力が印加されることで、放電空間１２内に対向して設けられる一対の電極２０−２０間でアーク放電が生起されて発光する。放電空間１２は、例えば内径が２２．５ｍｍ、発光長（一対の電極２０−２０間の距離）が１０９５ｍｍで構成される。

封止部１４，１４は、放電空間１２の両端に形成される。封止部１４，１４は、発光管１０と同じ石英ガラスで構成される。封止部１４，１４は、電極２０，２０を所望の位置に設けた後に、不図示の減圧手段により放電空間１２を減圧したあとで不図示のガスバーナーなどの溶融手段により溶融して成形する、いわゆるシュリンクシールにより形成される。なお、封止部１４，１４には、発光管１０と異なる石英ガラスなどで構成されても良い。また、封止部１４，１４は、不図示のガスバーナーなどの溶融手段により溶融して、不図示のピンチャーなどの成形手段によりピンチして封止する、いわゆるピンチシールにより形成されてもよい。封止部１４，１４の長さは、例えば、４０ｍｍである。

放電空間１２には、封入金属１６および不図示の希ガスが封入される。封入金属１６、希ガスは、放電空間１２内でアーク放電が生起されることにより蒸発して発光に寄与する。封入金属１６は、水銀および金属ハロゲン化物の混合物として、一部が放電空間１２中に凝集し、残りが蒸気として放電空間１２中に存在する。封入金属１６は、水銀および金属ハロゲン化物を含む。水銀は、例えば１００ｍｇ封入される。金属ハロゲン化物は、例えば鉄が９ｍｇ、ヨウ化タリウム２ｍｇ、ヨウ化マグネシウムが２ｍｇ、ヨウ化水銀が４０ｍｇ、臭化水銀を５ｍｇ封入される。希ガスは、例えばキセノンが７ｋＰａ封入される。なお、希ガスは、アルゴン、クリプトン、キセノンなどのいずれか一種、または二種以上の混合ガスでよい。

ここで、電極２０，２０の構成について、図２を用いて更に詳しく説明する。なお、電極２０，２０は同一の構成であることから、以降は一方の電極２０についてのみ説明する。

封止部１４の内部には、電極２０として電極軸２２、コイル２４、金属箔２６、アウターリード２８が設けられる。

電極軸２２は、放電空間１２に電力を印加する。電極軸２２は、一端が放電空間１２に突出して構成され、他端が封止部１４に埋設される。また、電極軸２２の放電空間１２側に突出した電極先端２２ａにはコイル２４が設けられる。また、電極軸２２は、電極先端２２ａの側である電極末端２２ｂで第１接続部２３を介して金属箔２６と接続される。電極軸２２は、例えば、主な材料としてタングステンを含む。また、電極軸２２は、放電ランプ１の点灯中に、電極軸２２の主な材料として構成されるタングステンの再結晶化による電極軸２２の強度低下を抑制するため、微量の金属を含んだ、いわゆるドープタングステンにより構成される。なお、電極軸２２には、例えば、電子放射性を良くするため、例えば酸化トリウムを含むトリエーテッドタングステンで構成されても良い。電極軸２２は、他端側が後述する金属箔２６との溶接を容易とするため、平坦となるように切削加工されている。電極軸２２は、一端側の電極先端２２ａの外径が２ｍｍ、他端側の電極末端２２ｂの切削加工された平面の厚みが１．５ｍｍである。

第１接続部２３は、電極軸２２と後述する金属箔２６とを溶接により接続する。第１接続部２３は、例えば、電気溶接により設けられる。

コイル２４は、電極軸２２の一端側に設けられ、放電中の電極軸２２から温度を放射することで、電極先端２２ａを除く電極軸２２の温度上昇を抑制する。また、コイル２４は、放電ランプ１の点灯始動時に電極２０全体でグロー放電が安定して行われるために電極軸２２の表面積を増大させる。コイル２４は、一端が電極軸２２の一端側、すなわち、放電空間１２側に設けられ、他端が電極軸２２の他端側に設けられる。コイル２４は、電極軸２２の電極先端２２ａ側に、例えばコイル２４を構成する線材１本を二重に巻回することにより設けられる、いわゆる二重巻構造である。コイル２４は、例えばドープタングステンにより構成される。

金属箔２６は、封止部１４に埋設されて封止されることにより、発光管１０を気密に保つ。金属箔２６は、一端が電極軸２２の他端と溶接され、他端がアウターリード２８の一端と溶接され、封止部１４に埋設して設けられる。金属箔２６は、例えばモリブデンにより構成される。なお、金属箔２６が複数枚設けられる場合は、セパレータガラス２７が設けられる。

セパレータガラス２７は、複数枚の金属箔２６,２６同士の接触を防止する。セパレータガラス２７は、例えば、金属箔２６の面積と同等か、より大きいことが望ましい。セパレータガラス２７は、例えば、石英ガラスにより構成される。なお、金属箔２６が１枚で構成される場合は、セパレータガラス２７を設けなくてもよい。

アウターリード２８は、一部が封止部１４に埋設され、他端が不図示の点灯回路と接続され、発光管１０の内部と外部とが電気的に接続される。アウターリード２８は、一端が第２接続部２９を介して金属箔２６と接続され、他端が不図示の点灯回路と接続される。アウターリード２８は、例えば、モリブデンにより構成される。

第２接続部２９は、金属箔２６とアウターリード２８とを溶接により接続する。第２接続部２９は、例えば、電気溶接により設けられる。

このようにして設けられた放電ランプ１は、不図示の点灯回路から、放電ランプ１に電力が供給されることで、紫外線が放出される。

ここで、封止部１４と電極２０の構成について、更に詳しく説明する。

電極２０の外周には、筒体３２、金属筒体３４が設けられる。

電極２０の外周、より詳しくは、電極２０の電極軸２２の外周には、筒体３２が設けられる。筒体３２は、電極２０を封止部１４に封着するときに、電極２０の電極軸２２が封止部１４の延びる方向に垂直な断面で見たときに封止部１４の中心軸から偏る現象、いわゆる偏心を抑制する。また、筒体３２は、放電空間１２内に封入された金属ハロゲン化物が封止部１４へ侵入することを抑制してもよい。筒体３２は、封止部１４の線膨張係数と近いことが望まれる。筒体３２は、例えば、石英ガラスで構成される。

また、電極２０の外周、より詳しくは、電極２０の電極軸２２の外周には、金属筒体３４が設けられる。金属筒体３４は、一端が電極軸２２および筒体３２の間に、電極軸２２に溶接されることで設けられ、他端が放電空間１２側に設けられる。金属筒体３４は、例えば、他端が電極２０に設けられたコイル２４の放電空間１２と対向する側の外周に設けられ、一端側に向かって縮径する、いわゆるテーパー形状である。金属筒体３４の他端の内径は、例えば、電極２０のコイル２４の外径よりも０〜１［ｍｍ］大きく形成されることが望ましい。金属筒体３４は、例えば、モリブデンにより構成される。金属筒体３４の放電空間１２に露出する側には、金属筒体３４からの放電を抑制するため、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）などで構成される、図示しない金属酸化物層が形成されていてもよい。ここで、金属筒体３４が有する不図示の金属酸化物層は、例えば発光管１０を、電極２０が放電ランプ１の外側に露出するように、放電ランプ１長手方向に垂直な断面で切断し、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）により分析することで同定することができる。ＥＰＭＡは、例えば、日本電子社製ＪＸＡ−８２００が用いられる。なお、金属筒体３４の電極軸２２との接続様式は溶接に限定されない。例えば、金属筒体３４の一端が、電極軸および筒体３２の間に生じる隙間に挟み込まれる形態で設けられてもよい。また、金属筒体３４は電極軸２２と筒体３２とで挟み込まれて変形する可能性があるため、金属筒体３４の外周に不図示のスリットを設けてもよい。

金属筒体３４を設けることによる効果は以下のとおりである。すなわち、金属筒体３４を設けない放電ランプ１００で説明すると、放電ランプ１００が点灯した直後の数秒〜数十秒間は、電極軸２２先端の温度が熱電子放出に必要な温度（２５００〜３０００℃）に上昇していないために、電極軸先端２２ａ以外の電極表面にアークスポットが形成されることがある。特に、電極２０に設けられるコイル２４の一端は電極軸２２にコイル形状となるように巻きつけられて形成後切断されることで形成される。コイル２４の切断によりコイル２４の一端にはエッジが生じるため、放電ランプ１００に通電して点灯した直後に電極軸２２よりも、電極軸２２に設けられるコイル２４の一端から電子が放出されて、コイル２４の一端にアークスポットが形成されることが多い。そこで、コイル２４の一端を電極軸先端２２ａ側に位置させると、電極軸先端に形成されたアークスポットがコイル２４の一端側に移動してちらつきの原因となることがあるため、コイル２４の一端は封止部１４側に位置させる。ただし、ランプ製造工程中において筒体３２が電極２０のコイル２４の一端側と近接（０〜２［ｍｍ］）することがある。

このような放電ランプ１００を、点灯と消灯とを繰り返す、いわゆる点滅点灯の条件で用いると、点灯直後に数秒〜数十秒間、電極２０のコイル２４の一端に生じるアークスポットの熱が筒体３４および封止部１４に伝わって高温となる。一方、放電ランプ１００の消灯時には、筒体３２および封止部１４の温度が室温まで下がる。このために、放電ランプ１００の点灯と消灯の繰り返しで生じる封止部１４の膨張や収縮の繰り返し、いわゆる熱履歴により、点灯と消灯との繰り返しで筒体３２と封止部１４に生じる歪が大きくなり、封止部１４のクラックの原因となる。よって、点滅点灯を繰り返すことで、発光管１０からのリークにより放電ランプ１００の不点灯に至る場合がある。

一方、金属筒体３４を設けることで、コイル２４の一端から電子が放出されることを抑制できることから、電極軸先端２２ａから電子が放出され、電極軸先端２２ａにアークスポットが形成される。このため、電極軸先端２２ａに形成されたアークスポットがコイル２４の一端に移動することがなくなるため、ちらつきが発生することを抑制できる。

また、電極軸先端２２ａにアークスポットが形成されることで、電極軸先端２２ａからのアークスポットの熱が筒体３４や封止部１４に伝わりにくくなり、放電ランプ１の点灯と消灯の繰り返しで生じる封止部１４の熱履歴が小さくなり、放電ランプ１の点灯と消灯とを繰り返しても筒体３４や封止部１４に生じる歪が大きくならない。よって、封止部１４からクラックが発生することが抑制でき、放電ランプ１の不点灯の発生を抑制することができる。

また、本発明によれば、金属筒体３４の他端が、コイル２４の一端を覆う。このような構成とすることで、放電ランプ１の点灯時にコイル２４から電子が放出されることをより確実に抑制することができ、電極軸先端２２ａから電子が放出され、電極軸先端２２ａにアークスポットが形成される。このため、放電ランプ１の点灯と消灯とを繰り返しても筒体３４や封止部１４に生じる歪が大きくならない。よって、封止部１４からクラックが発生することが抑制でき、放電ランプ１の不点灯の発生をより確実に抑制することができる。

また、本発明によれば、金属筒体３４の表面には、金属酸化物層が形成される。このような構成とすることで、金属筒体３４からの放電を抑制することができるため、放電ランプ１の点灯時にコイル２４や金属筒体３４から電子が放出されることをより確実に抑制することができ、電極軸先端２２ａから電子が放出され、電極軸先端２２ａにアークスポットが形成される。このため、放電ランプ１の点灯と消灯とを繰り返しても筒体３４や封止部１４に生じる歪が大きくならない。よって、封止部１４からクラックが発生することが抑制でき、放電ランプ１の不点灯の発生をより確実に抑制することができる。

なお、上記実施形態で、放電ランプ１は、封入金属１６にメタルハライドを用いた、いわゆるメタルハライドランプの構成であったが、封入金属１６に水銀以外の金属ハロゲン化物を有しない、即ち、水銀、ハロゲン化物、希ガスのみを封入した、いわゆる高圧水銀ランプであってもよい。

ここで、放電ランプ１において、金属筒体３４の有無による寿命特性の比較を行った。評価条件は以下のとおりである。なお、照度維持率は、点灯０時間において、主たる波長３６５ｎｍの照度値（照度計本体：オーク製作所社製照度計ＵＶ−Ｍ０３Ａ、センサ：オーク製作所製ＵＶ−ＳＤ３５）を１００％として任意の時間の照度を規格化した。

本実施形態の放電ランプ１：内径＝２２．５ｍｍ、放電空間１２の長さ＝１１１５ｍｍ、放電ランプ１の全体長さ＝１４２０ｍｍ、ランプ電圧＝６２０Ｖ、ランプ電流＝２０Ａ。電極２０：電極軸２２＝トリアを含有したタングステン（トリエーテッドタングスステン）、直径２ｍｍ、コイル２４：ドープタングステン、線径０．７ｍｍを電極軸２２の電極先端２２ａ側に、外径３．４ｍｍとなるように巻き付けた。

ランプ電力＝１２ｋＷ（定電力）、金属筒体３４：モリブデン（厚み０．２ｍｍ）による金属スリーブの放電空間１２側の内径が３．５ｍｍ、封止部１４側の内径２．１ｍｍ。放電空間１２側の外表面に、金属酸化物層としてアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）層を１０ｕｍ形成した。

また、放電ランプ１は、１０分点灯−２０分消灯の周期で点灯と消灯とを繰り返す、いわゆる点滅点灯を行った。

従来品の放電ランプ１００（電極２００の詳細を図３に示す）：本実施形態の放電ランプ１と同様の構成であるが、金属筒体３４を有していない。

結果を図３に示す。なお、図３で、横軸は点灯時間（時間）、縦軸は照度維持率（％）を示す。図３から明らかであるとおり、金属筒体３４を有することで、点灯時間が１０００時間でも照度維持率が８０％以上を確保することができた。一方、金属筒体３４を有していないと、点灯時間が５００時間後に照度維持率が急速に低下した。以上のことから、放電ランプ１は、金属筒体３４を設けることが望ましいことがわかる。

（第１の実施形態の変形例１）

第１実施形態の変形例１に係る放電ランプ２，３について、図４を用いて説明する。図２は、放電ランプ２，３を例示している。なお、第１の実施形態と同じ構成については符号を同一とし、以降の説明を省略する。

図４（ａ），（ｂ）に示すように、金属筒体３４の形状は限定されない。例えば、図４（ａ）に示すように、金属筒体３４の封止部１４側が略平板の略有底開口形状となっていてもよい。また、図４（ｂ）に示すように、金属筒体３４の封止部１４側が略半球形状となっていてもよい。このような構成であっても、第１の実施形態と同様に、封止部１４からクラックが発生することが抑制でき、放電ランプ１の不点灯の発生をより確実に抑制することができる。

（第１の実施形態の変形例２）

第１実施形態の変形例２に係る放電ランプ４，５について、図５を用いて説明する。図５は、放電ランプ４，５を例示している。

図５（ａ），（ｂ）に示すように、金属筒体３４の放電空間１２側の端部が、コイルよりも発光管１２の内壁側に設けられている。例えば、図５（ａ）に示すように、金属筒体３４の一端が放電空間１２側で広がる形状となっていてもよい。また、図５（ｂ）に示すように、金属筒体３４の一端も封止部１４側へ湾曲する形状となっていてもよい。このような構成とすることで、コイル２２にアークスポットが形成されても、コイル２２と発光管１０の間に金属筒体３４が設けられることとなり、アークが発光管１０の放電空間１２側の内面に接触することを抑制することができる。

なお、金属筒体３４が電極軸２２ａに設けられる形態は限定されない。例えば、図５（ｃ）に示すように、放電ランプ６において、金属筒体３４の他端が放電空間１２側で電極軸２２ａと溶接される形状となっていてもよい。また、図５（ｃ）に示すように、筒体３２の放電空間１２側の端面が発光管１２の内面よりも放電空間１２側へ突出していてもよい。

また、金属筒体３４は、上記構造に限定されない。図６は、金属筒体３４の変形例を例示している。

図６に示す金属筒体３６のように、金属筒体３６の、電極軸２２側の端部に欠け部Ｓが設けられていてもよい。金属筒体３６に欠け部Ｓが設けられることで、金属筒体３６が電極軸２２と筒体３２とで挟み込まれても変形を抑制することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１,２，３，４，５，６，１００…放電ランプ、
１０…発光管、
１２…放電空間、
１４…封止部、
１６…封入金属、
２０…電極、
２２…電極軸、
２４…コイル、
２６…金属箔、
２８…アウターリード、
３２…筒体、
３４、３６…金属筒体。

Claims (4)

1. 放電空間を有する発光管と；
   前記放電空間の両端に設けられ、前記放電空間に延びて設けられる電極軸および前記電極軸の前記放電空間側にコイルを有する一対の電極と；
   前記コイルと前記発光管の間に設けられる金属筒体と；
   前記電極と接続される金属箔と；
   前記金属箔と接続されるアウターリードと；を有し、紫外線を放出する放電ランプ。
2. 前記金属筒体の前記放電空間側の端部は、前記コイルの一端を覆う、請求項１記載の放電ランプ。
3. 前記金属筒体の前記放電空間側の端部は、前記コイルよりも前記発光管の内壁側に設けられる、請求項１記載の放電ランプ。
4. 前記金属筒体の表面には、金属酸化物層が形成される、請求項１ないし３のいずれか一つに記載の放電ランプ。
   

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