JP3741567B2 - 垂直加速型飛行時間型質量分析装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、質量分析装置に関し、特に、飛行過程でのイオンの散乱を防止することのできる質量分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
質量分析装置は、試料から生成するイオンを真空中で飛行させ、飛行の過程で質量の異なるイオンを分散させて、スペクトルとして記録する装置である。質量分析装置には、扇形磁場を用いてイオンの質量分散を行なわせる磁場型質量分析装置、四重極電極を用いて質量によるイオンの選別（フィルタリング）を行なわせる四重極質量分析装置（ＱＭＳ）、質量によるイオンの飛行時間の違いを利用してイオンを分散させる飛行時間型質量分析装置（ＴＯＦＭＳ；time of flight
ＭＳ）などが知られている。
【０００３】
これらの質量分析装置の内、磁場型質量分析装置とＱＭＳは、連続的にイオンを生成するタイプのイオン源に適合しているのに対し、ＴＯＦＭＳは、パルス状にイオンを生成するタイプのイオン源に適合している。従って、連続型のイオン源をＴＯＦＭＳに利用しようとすれば、イオン源の利用のしかたに工夫が必要である。垂直加速型飛行時間型質量分析装置（ＯＡ−ＴＯＦＭＳ；orthogonal acceleration ＴＯＦＭＳ）は、連続型のイオン源からパルス状のイオンを射出することができるように工夫されたＴＯＦＭＳの一例である。
【０００４】
図１に、典型的なＯＡ−ＴＯＦＭＳの構成を示す。ＯＡ−ＴＯＦＭＳは、電子衝撃（ＥＩ）イオン源、化学イオン化（ＣＩ）イオン源、電界脱離（ＦＤ）イオン源、エレクトロスプレイ（ＥＳＩ）イオン源、高速原子衝撃（ＦＡＢ）イオン源などの連続型のイオン源１と、イオンガイド２が置かれた中間室３と、集光レンズ４、押し出し電極５、加速レンズ６、リフレクトロン７、イオン検出器８などのイオン光学系を構成する構成物が置かれた測定室９とから成っている。
【０００５】
このような構成において、イオン源１において試料から生成したイオンは、中間室３に置かれたイオンガイド２によって高真空な測定室９へと誘導される。中間室３と測定室９を仕切る隔壁には、オリフィス１０が設けられていて、イオンガイド２から誘導されてきたイオンは、オリフィス１０によって一定の径を持ったイオンビームに整形されて、測定室９に導入される。
【０００６】
測定室９の入口には、集光レンズ４が設置されている。測定室９に入ってきたイオンビームは、集光レンズ４により収束されて、押し出し電極５と加速レンズ６との間隙に沿った細長い空間に、押し出し電極５及び加速レンズ６に対して平行に進入する。押し出し電極５及び加速レンズ６の近傍を移動する一定の長さを持ったイオンビームは、押し出し電極５にパルス状の加速電圧を印加することにより、イオンビームの進入軸方向とは垂直な方向にパルス状に加速され、イオンパルスとなって、押し出し電極５及び加速レンズ６と対向する位置に設けられたリフレクトロン７に向けて飛行を開始する。
【０００７】
垂直方向に加速されたイオンは、測定室９に導入されたときの速度と、それとは垂直な方向に押し出し電極５及び加速レンズ６によって与えられた速度とが合成されて、完全に垂直な方向ではなく、わずかに斜めを向いた垂直方向に飛行し、リフレクトロン７で反射されて、イオン検出器８に到達する。
【０００８】
イオンの加速の過程では、軽いイオンほど速度が速くなり、重いイオンほど速度が遅くなるため、イオンの質量の違いがイオン検出器８に到達するまでの到達時間の違いとなって現れ、イオンの質量の違いをイオンの飛行時間の違いとして分散させることができる。
【０００９】
このように、連続型のイオン源１から生成したイオンビームを、押し出し電極５及び加速レンズ６によってパルス状に加速することにより、パルス状に生成するイオン源に対して適合性を持つＴＯＦＭＳに、連続型のイオン源を適用することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このような構成において、隔壁上に設けられたオリフィス１０の近傍では、図２に示すように、イオンガイド２によって誘導されてきたイオンの運動エネルギーは小さい（イオンの速度は低い）ので、オリフィス１０のわずかな汚れ、加工歩留まりなどによる形状の乱れ、部材の帯電などによって、イオンの軌道が歪められたり、イオンの散乱が起こりやすいという問題があった。
【００１１】
また、通常、オリフィスは、内径がわずかに０.１ｍｍから数ｍｍ程度の細孔であるため、ここでイオンの軌道が歪められたりイオンの散乱が起こると、装置の感度や分解能に重大な悪影響を招くという問題があった。
【００１２】
また、装置の保守のためには、オリフィス部分にアイソレーションバルブを取り付ければ非常に便利であるが、オリフィス周辺にアイソレーションバルブを取り付けると、イオンガイド２とオリフィス１０との間に大きな空間があいてしまうことになり、結果的に、この飛行空間でのイオンの直進性の不安定化を招きやすいという問題があった。
【００１３】
本発明の目的は、上述した点に鑑み、真空度の異なる２つの空間を仕切る隔壁上に設けられたオリフィスを、イオンが散乱されることなくスムーズに通過できるような質量分析装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明にかかる垂直加速型飛行時間型質量分析装置は、イオンガイドが置かれた中間室とイオン光学系を構成する構成物が置かれた測定室とを仕切る隔壁上に設けられたオリフィスにアイソレーションバルブを取り付けた垂直加速型飛行時間型質量分析装置において、
前記アイソレーションバルブの前段に加速電場、後段に減速電場を設け、イオンに加速、次いで減速を行なわせるようにしたことを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図３は、本発明にかかる質量分析装置の一実施例を表わしたものである。本実施例は、電子衝撃（ＥＩ）イオン源、化学イオン化（ＣＩ）イオン源、電界脱離（ＦＤ）イオン源、エレクトロスプレイ（ＥＳＩ）イオン源、高速原子衝撃（ＦＡＢ）イオン源などの連続型のイオン源１と、イオンガイド２が置かれた中間室３と、集光レンズ４、押し出し電極５、加速レンズ６、リフレクトロン７、イオン検出器８などのイオン光学系を構成する構成物が置かれた測定室９とから成っている。
【００１８】
このような構成において、イオン源１において試料から生成したイオンは、中間室３に置かれたイオンガイド２によって高真空な測定室９へと誘導される。中間室３と測定室９を仕切る隔壁には、オリフィス１０が設けられていて、イオンガイド２から誘導されてきたイオンは、オリフィス１０によって一定の径を持ったイオンビームに整形されて、測定室９に導入される。
【００１９】
測定室９の入口には、集光レンズ４が設置されている。測定室９に入ってきたイオンビームは、集光レンズ４により収束されて、押し出し電極５と加速レンズ６との間隙に沿った細長い空間に、押し出し電極５及び加速レンズ６に対して平行に進入する。押し出し電極５及び加速レンズ６の近傍を移動する一定の長さを持ったイオンビームは、押し出し電極５にパルス状の加速電圧を印加することにより、イオンビームの進入軸方向とは垂直な方向にパルス状に加速され、イオンパルスとなって、押し出し電極５及び加速レンズ６と対向する位置に設けられたリフレクトロン７に向けて飛行を開始する。
【００２０】
垂直方向に加速されたイオンは、測定室９に導入されたときの速度と、それとは垂直な方向に押し出し電極５及び加速レンズ６によって与えられた速度とが合成されて、完全に垂直な方向ではなく、わずかに斜めを向いた垂直方向に飛行し、リフレクトロン７で反射されて、イオン検出器８に到達する。
【００２１】
このような構成において、本実施例では、オリフィス１０の前段と後段、すなわちイオンガイド２と集光レンズ４の間のイオン飛行空間に、加速レンズ１１と減速レンズ１２を設けている。このように構成することにより、直線状の飛行空間を飛行中のイオンは、飛行方向を何ら変えることなく、加速レンズ１１によって作られる加速電場でいったん加速され、中間室３と測定室９の隔壁上に設けられたオリフィス１０をすみやかに通過した後、減速レンズ１２によって作られる減速電場で再び元の速度まで減速される。その結果、イオンは何も場を受けなかった状態になり、その上、オリフィス１０を通過する間だけ、イオンの運動エネルギーが大きくなる（飛行速度が大きくなる）ので、オリフィス１０のわずかな汚れ、加工歩留まりなどによる形状の乱れ、部材の帯電などによってもイオンの軌道が歪められず、イオンの散乱が起こりにくい。
【００２２】
図４は、本発明にかかる別の一実施例を示す図であり、中間室３と測定室９の間の隔壁上に設けられたオリフィス１０付近を拡大したものである。本実施例では、中間室３と測定室９とを別々にアイソレートするためのアイソレーションバルブ１３を、Ｏリング等のシール部材１４を介してオリフィス上に設けている。これにより、イオン源等を単独で操作できるようになるため、装置の保守作業が行ないやすくなり、装置の利便性が非常に向上する。
【００２３】
ところが、このように、オリフィス１０付近にアイソレーションバルブ１３を取り付けると、イオンガイド２とオリフィス１０との間に比較的大きな距離を生じ、イオンがその間を移動する際に、イオンの直進性が不安定になりやすい。それを安定化させるためには、イオンガイド２から出たイオンを直ちに加速レンズ１１で加速してやり、すみやかにオリフィス１０を通過させ、その後、イオンを元の速度に戻してやることが必要である。本発明にかかる加速レンズ１１と減速レンズ１２の組み合わせは、このような場合に非常に有効に作用する。
【００２４】
尚、本実施例では、リフレクトロン型のＯＡ−ＴＯＦＭＳを取り扱ったが、本発明の適用範囲は、ＯＡ−ＴＯＦＭＳに限定されるものではない。低エネルギーのイオンを取り扱う場合には、広く一般の質量分析装置にも適用できる技術であることは言うまでもない。
【００２５】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明の質量分析装置によれば、真空度の異なる２つの空間を仕切る隔壁上のオリフィスをイオンが通過する際に、イオンの飛行速度を加速レンズで加速させてオリフィスを通過させ、イオンがオリフィスを通過後に減速レンズでイオンの速度を元の速度まで減速させるため、仮にアイソレーションバルブを挿入することによってイオンの飛行空間が長くなっても、イオンの直進性を損なうことなくイオンはオリフィスを通過することができ、イオンが散乱したり、イオンの軌道が歪められたりすることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の垂直加速型飛行時間型質量分析装置を示す図である。
【図２】従来の垂直加速型飛行時間型質量分析装置を示す図である。
【図３】本発明にかかる垂直加速型飛行時間型質量分析装置の一実施例を示す図である。
【図４】本発明にかかる垂直加速型飛行時間型質量分析装置の一実施例を示す図である。
【符号の説明】
１・・・イオン源、２・・・イオンガイド、３・・・中間室、４・・・集光レンズ、５・・・押し出し電極、６・・・加速レンズ、７・・・リフレクトロン、８・・・イオン検出器、９・・・測定室、１０・・・オリフィス、１１・・・加速レンズ、１２・・・減速レンズ、１３・・・アイソレーションバルブ、１４・・・シール部材。
【発明の属する技術分野】
本発明は、質量分析装置に関し、特に、飛行過程でのイオンの散乱を防止することのできる質量分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
質量分析装置は、試料から生成するイオンを真空中で飛行させ、飛行の過程で質量の異なるイオンを分散させて、スペクトルとして記録する装置である。質量分析装置には、扇形磁場を用いてイオンの質量分散を行なわせる磁場型質量分析装置、四重極電極を用いて質量によるイオンの選別（フィルタリング）を行なわせる四重極質量分析装置（ＱＭＳ）、質量によるイオンの飛行時間の違いを利用してイオンを分散させる飛行時間型質量分析装置（ＴＯＦＭＳ；time of flight
ＭＳ）などが知られている。
【０００３】
これらの質量分析装置の内、磁場型質量分析装置とＱＭＳは、連続的にイオンを生成するタイプのイオン源に適合しているのに対し、ＴＯＦＭＳは、パルス状にイオンを生成するタイプのイオン源に適合している。従って、連続型のイオン源をＴＯＦＭＳに利用しようとすれば、イオン源の利用のしかたに工夫が必要である。垂直加速型飛行時間型質量分析装置（ＯＡ−ＴＯＦＭＳ；orthogonal acceleration ＴＯＦＭＳ）は、連続型のイオン源からパルス状のイオンを射出することができるように工夫されたＴＯＦＭＳの一例である。
【０００４】
図１に、典型的なＯＡ−ＴＯＦＭＳの構成を示す。ＯＡ−ＴＯＦＭＳは、電子衝撃（ＥＩ）イオン源、化学イオン化（ＣＩ）イオン源、電界脱離（ＦＤ）イオン源、エレクトロスプレイ（ＥＳＩ）イオン源、高速原子衝撃（ＦＡＢ）イオン源などの連続型のイオン源１と、イオンガイド２が置かれた中間室３と、集光レンズ４、押し出し電極５、加速レンズ６、リフレクトロン７、イオン検出器８などのイオン光学系を構成する構成物が置かれた測定室９とから成っている。
【０００５】
このような構成において、イオン源１において試料から生成したイオンは、中間室３に置かれたイオンガイド２によって高真空な測定室９へと誘導される。中間室３と測定室９を仕切る隔壁には、オリフィス１０が設けられていて、イオンガイド２から誘導されてきたイオンは、オリフィス１０によって一定の径を持ったイオンビームに整形されて、測定室９に導入される。
【０００６】
測定室９の入口には、集光レンズ４が設置されている。測定室９に入ってきたイオンビームは、集光レンズ４により収束されて、押し出し電極５と加速レンズ６との間隙に沿った細長い空間に、押し出し電極５及び加速レンズ６に対して平行に進入する。押し出し電極５及び加速レンズ６の近傍を移動する一定の長さを持ったイオンビームは、押し出し電極５にパルス状の加速電圧を印加することにより、イオンビームの進入軸方向とは垂直な方向にパルス状に加速され、イオンパルスとなって、押し出し電極５及び加速レンズ６と対向する位置に設けられたリフレクトロン７に向けて飛行を開始する。
【０００７】
垂直方向に加速されたイオンは、測定室９に導入されたときの速度と、それとは垂直な方向に押し出し電極５及び加速レンズ６によって与えられた速度とが合成されて、完全に垂直な方向ではなく、わずかに斜めを向いた垂直方向に飛行し、リフレクトロン７で反射されて、イオン検出器８に到達する。
【０００８】
イオンの加速の過程では、軽いイオンほど速度が速くなり、重いイオンほど速度が遅くなるため、イオンの質量の違いがイオン検出器８に到達するまでの到達時間の違いとなって現れ、イオンの質量の違いをイオンの飛行時間の違いとして分散させることができる。
【０００９】
このように、連続型のイオン源１から生成したイオンビームを、押し出し電極５及び加速レンズ６によってパルス状に加速することにより、パルス状に生成するイオン源に対して適合性を持つＴＯＦＭＳに、連続型のイオン源を適用することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このような構成において、隔壁上に設けられたオリフィス１０の近傍では、図２に示すように、イオンガイド２によって誘導されてきたイオンの運動エネルギーは小さい（イオンの速度は低い）ので、オリフィス１０のわずかな汚れ、加工歩留まりなどによる形状の乱れ、部材の帯電などによって、イオンの軌道が歪められたり、イオンの散乱が起こりやすいという問題があった。
【００１１】
また、通常、オリフィスは、内径がわずかに０.１ｍｍから数ｍｍ程度の細孔であるため、ここでイオンの軌道が歪められたりイオンの散乱が起こると、装置の感度や分解能に重大な悪影響を招くという問題があった。
【００１２】
また、装置の保守のためには、オリフィス部分にアイソレーションバルブを取り付ければ非常に便利であるが、オリフィス周辺にアイソレーションバルブを取り付けると、イオンガイド２とオリフィス１０との間に大きな空間があいてしまうことになり、結果的に、この飛行空間でのイオンの直進性の不安定化を招きやすいという問題があった。
【００１３】
本発明の目的は、上述した点に鑑み、真空度の異なる２つの空間を仕切る隔壁上に設けられたオリフィスを、イオンが散乱されることなくスムーズに通過できるような質量分析装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明にかかる垂直加速型飛行時間型質量分析装置は、イオンガイドが置かれた中間室とイオン光学系を構成する構成物が置かれた測定室とを仕切る隔壁上に設けられたオリフィスにアイソレーションバルブを取り付けた垂直加速型飛行時間型質量分析装置において、
前記アイソレーションバルブの前段に加速電場、後段に減速電場を設け、イオンに加速、次いで減速を行なわせるようにしたことを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図３は、本発明にかかる質量分析装置の一実施例を表わしたものである。本実施例は、電子衝撃（ＥＩ）イオン源、化学イオン化（ＣＩ）イオン源、電界脱離（ＦＤ）イオン源、エレクトロスプレイ（ＥＳＩ）イオン源、高速原子衝撃（ＦＡＢ）イオン源などの連続型のイオン源１と、イオンガイド２が置かれた中間室３と、集光レンズ４、押し出し電極５、加速レンズ６、リフレクトロン７、イオン検出器８などのイオン光学系を構成する構成物が置かれた測定室９とから成っている。
【００１８】
このような構成において、イオン源１において試料から生成したイオンは、中間室３に置かれたイオンガイド２によって高真空な測定室９へと誘導される。中間室３と測定室９を仕切る隔壁には、オリフィス１０が設けられていて、イオンガイド２から誘導されてきたイオンは、オリフィス１０によって一定の径を持ったイオンビームに整形されて、測定室９に導入される。
【００１９】
測定室９の入口には、集光レンズ４が設置されている。測定室９に入ってきたイオンビームは、集光レンズ４により収束されて、押し出し電極５と加速レンズ６との間隙に沿った細長い空間に、押し出し電極５及び加速レンズ６に対して平行に進入する。押し出し電極５及び加速レンズ６の近傍を移動する一定の長さを持ったイオンビームは、押し出し電極５にパルス状の加速電圧を印加することにより、イオンビームの進入軸方向とは垂直な方向にパルス状に加速され、イオンパルスとなって、押し出し電極５及び加速レンズ６と対向する位置に設けられたリフレクトロン７に向けて飛行を開始する。
【００２０】
垂直方向に加速されたイオンは、測定室９に導入されたときの速度と、それとは垂直な方向に押し出し電極５及び加速レンズ６によって与えられた速度とが合成されて、完全に垂直な方向ではなく、わずかに斜めを向いた垂直方向に飛行し、リフレクトロン７で反射されて、イオン検出器８に到達する。
【００２１】
このような構成において、本実施例では、オリフィス１０の前段と後段、すなわちイオンガイド２と集光レンズ４の間のイオン飛行空間に、加速レンズ１１と減速レンズ１２を設けている。このように構成することにより、直線状の飛行空間を飛行中のイオンは、飛行方向を何ら変えることなく、加速レンズ１１によって作られる加速電場でいったん加速され、中間室３と測定室９の隔壁上に設けられたオリフィス１０をすみやかに通過した後、減速レンズ１２によって作られる減速電場で再び元の速度まで減速される。その結果、イオンは何も場を受けなかった状態になり、その上、オリフィス１０を通過する間だけ、イオンの運動エネルギーが大きくなる（飛行速度が大きくなる）ので、オリフィス１０のわずかな汚れ、加工歩留まりなどによる形状の乱れ、部材の帯電などによってもイオンの軌道が歪められず、イオンの散乱が起こりにくい。
【００２２】
図４は、本発明にかかる別の一実施例を示す図であり、中間室３と測定室９の間の隔壁上に設けられたオリフィス１０付近を拡大したものである。本実施例では、中間室３と測定室９とを別々にアイソレートするためのアイソレーションバルブ１３を、Ｏリング等のシール部材１４を介してオリフィス上に設けている。これにより、イオン源等を単独で操作できるようになるため、装置の保守作業が行ないやすくなり、装置の利便性が非常に向上する。
【００２３】
ところが、このように、オリフィス１０付近にアイソレーションバルブ１３を取り付けると、イオンガイド２とオリフィス１０との間に比較的大きな距離を生じ、イオンがその間を移動する際に、イオンの直進性が不安定になりやすい。それを安定化させるためには、イオンガイド２から出たイオンを直ちに加速レンズ１１で加速してやり、すみやかにオリフィス１０を通過させ、その後、イオンを元の速度に戻してやることが必要である。本発明にかかる加速レンズ１１と減速レンズ１２の組み合わせは、このような場合に非常に有効に作用する。
【００２４】
尚、本実施例では、リフレクトロン型のＯＡ−ＴＯＦＭＳを取り扱ったが、本発明の適用範囲は、ＯＡ−ＴＯＦＭＳに限定されるものではない。低エネルギーのイオンを取り扱う場合には、広く一般の質量分析装置にも適用できる技術であることは言うまでもない。
【００２５】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明の質量分析装置によれば、真空度の異なる２つの空間を仕切る隔壁上のオリフィスをイオンが通過する際に、イオンの飛行速度を加速レンズで加速させてオリフィスを通過させ、イオンがオリフィスを通過後に減速レンズでイオンの速度を元の速度まで減速させるため、仮にアイソレーションバルブを挿入することによってイオンの飛行空間が長くなっても、イオンの直進性を損なうことなくイオンはオリフィスを通過することができ、イオンが散乱したり、イオンの軌道が歪められたりすることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の垂直加速型飛行時間型質量分析装置を示す図である。
【図２】従来の垂直加速型飛行時間型質量分析装置を示す図である。
【図３】本発明にかかる垂直加速型飛行時間型質量分析装置の一実施例を示す図である。
【図４】本発明にかかる垂直加速型飛行時間型質量分析装置の一実施例を示す図である。
【符号の説明】
１・・・イオン源、２・・・イオンガイド、３・・・中間室、４・・・集光レンズ、５・・・押し出し電極、６・・・加速レンズ、７・・・リフレクトロン、８・・・イオン検出器、９・・・測定室、１０・・・オリフィス、１１・・・加速レンズ、１２・・・減速レンズ、１３・・・アイソレーションバルブ、１４・・・シール部材。
Claims (1)
- イオンガイドが置かれた中間室とイオン光学系を構成する構成物が置かれた測定室とを仕切る隔壁上に設けられたオリフィスにアイソレーションバルブを取り付けた垂直加速型飛行時間型質量分析装置において、
前記アイソレーションバルブの前段に加速電場、後段に減速電場を設け、イオンに加速、次いで減速を行なわせるようにしたことを特徴とする垂直加速型飛行時間型質量分析装置。
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|---|---|---|---|
| JP14684899A JP3741567B2 (ja) | 1999-05-26 | 1999-05-26 | 垂直加速型飛行時間型質量分析装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14684899A JP3741567B2 (ja) | 1999-05-26 | 1999-05-26 | 垂直加速型飛行時間型質量分析装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000340169A JP2000340169A (ja) | 2000-12-08 |
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Family
ID=15416917
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP14684899A Expired - Fee Related JP3741567B2 (ja) | 1999-05-26 | 1999-05-26 | 垂直加速型飛行時間型質量分析装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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1999
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| JP2000340169A (ja) | 2000-12-08 |
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