JP4374097B2 - ゼロボイルオフ超伝導磁石用の幅広い多層断熱ブランケット - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】
本発明は磁気共鳴イメージング（以後、”ＭＲＩ”と呼ぶ）用のヘリウム冷却式超伝導磁石アセンブリのための熱的に効率的な断熱性ブランケットに係わり、より詳しくは、生じたヘリウムガスを再凝縮して液体ヘリウムに戻すための再凝縮器を利用したＭＲＩ装置に適した改善された多層の広いブランケットに係わる。
【０００２】
周知のように、液体ヘリウムのようなクライオジェンを含有するクライオスタットまたは圧力容器内に封入するなどにより極めて低温の環境に置くことによって超電導磁石を超伝導性にできる。沸騰するヘリウムによって与えられる極低温は、コイルに当初接続されていた（比較的短期間）電源が切断された後に、低温の磁石コイル内に電気抵抗が存在しないために、磁石のコイルを通して電流を維持し、これにより強い磁界を維持している。超伝導磁石アセンブリはＭＲＩの分野に広い用途がある。
【０００３】
世界中においてＭＲＩ設備に液体ヘリウムを定常的に提供する備えをすることは困難でそして費用のかかることが証明され、その結果例えば生じたヘリウムガスを再凝縮して再循環するなどして沸騰する液体ヘリウムを補給する必要性を最小にすることに向けてかなりの研究開発努力がなされた。また、液体ヘリウムの必要な貯蔵供給物を４Ｋ付近の（即ち絶対ゼロに近い）極低温に貯蔵する際に遭遇する困難および貯蔵タンクにある液体ヘリウムの一部をＭＲＩ超伝導磁石内の液体ヘリウム供給源に定期的に移送する関連した問題を回避することが望ましい。
【０００４】
典型的なＭＲＩ磁石では、その主超伝導磁石コイルは容器の軸に沿った中心領域にイメージングボアを区画している円筒形のクライオジェン圧力容器内に封入されている。この圧力容器を真空容器が包囲しており、これら二つの容器の間の空間にある機械的クライオクーラーが沸騰によって生ずるヘリウムガスを再凝縮して液体ヘリウムに戻してヘリウム容器内に再導入して再使用するための冷却を提供する。
【０００５】
ヘリウムガスを再凝縮して液体ヘリウムに戻す超伝導磁石はしばしばゼロボイルオフ（zero boiloff:ZBO）磁石と呼ばれる。このようなＺＢＯ磁石では、熱損失を最小にするため真空容器とヘリウム圧力容器の間、およびまた再凝縮器と圧力容器の間の再凝縮器の周りに断熱が設けられる。機械的クライオクーラーはしばしばその冷却能力に負担を課せられており熱損失はこのような装置の適当なあるいは効率的な運転を妨げるので、このようなＺＢＯ装置では高い効率の断熱が極めて重要である。加えて、このような断熱は同時に又超電導磁石の排気中にブランケット内に閉じこめられている空気または諸々のガスを逃避させる熱的に効率的な道を提供すべきである。
【０００６】
ＭＲＩ超電導磁石はボア内に患者を収容するために必然的に極めて大きく、従って例えば典型的には外径２メートルおよび長さ２メートルを有しうる圧力容器を包囲する広いブランケットが必要とされる。しかし、十分に広い断熱性のブランケットは取り扱いが厄介であり製造が難しい。
【０００７】
しかるに、高度に反射性で、非常に薄く、片側または両側がアルミナイズされたプラスチックフィルムは６０インチまでの幅でしか市販されていない。ＭＲＩ超電導磁石に使用するためには、必要とされる多層断熱ブランケットの幅は頻繁には６０インチより広い利用幅であり、しばしば８０−１００インチ程に広い。その上、多層断熱ブランケット間の接合部に受け入れ難い熱損失なしにはブランケットの接合は困難であることが証明されている。加えて、このようなブランケットに断熱および遮蔽が必要とされる一方で、アルミナイズされたフィルム層の間に介在する断熱スペーサ相中に閉じこめられた何等かの空気または諸々のガスの逃避または排気のための通路を提供することも重要である。
【０００８】
接合部での受け入れ難い熱損失を回避する試みとしては、磁石内の防熱板のような円筒状部品の周りにブランケットを螺旋状に巻いたり、隣接するフイルムの縁部を間に挟んだ配列が含まれるが、重なった継ぎ目でブランケットの厚さは二重になっている。
【０００９】
二重の厚さは空間が貴重とされる場所にＭＬＩを圧縮せずに対応しなければならないので、多層ブランケットの厚さの増大は超伝導ＭＲＩ磁石、特に患者用ウォームボアでは不利である。ウオームボアで１／２インチの半径が節約できたら、得られるより小さい直径の超伝導コイルはより少ない超伝導ワイヤを使用し、４，０００フィートまでの超伝導ワイヤが節約される。
【００１０】
【発明の要約】
従って、ＺＢＯ超電導磁石に使用するのに十分な広さを有し、しかも改善された断熱および閉じこめられたガスの逃避用通路を提供し、そして製造および据え付けが容易にできる改善された断熱性ブランケットが特に必要とされており、更に接合部を介しての熱漏洩が最小とされたブランケットの隣接する遠隔端に対する接合部を提供することも必要とされている。
【００１１】
本発明の一形態によれば、それぞれ断熱層で分離されたアルミナイズシートを含む多層ブランケットを接合することによって広い断熱性ブランケットが提供される。シートおよび層の交互の対が互いにオフセットされ、複数のＴ−形の熱的に低いまたは最小の伝導性のステークがこれらの層の相対的な移動を防ぐ一方、ブランケットを通しての熱伝達を最小にしている。より広いブランケットを提供するブランケットの接合は隣接するアルミナイズ層間にオフセットされた交互の接合部およびガス抜きスリットを提供する。これにより熱損失が最小にされる一方で、超電導磁石の真空容器の排気中断熱層中の残留ガスの排気を可能にする。ブランケットが超電導磁石のクライオジェン圧力容器のような部品の周りに位置づけられるとき接合されたブランケットの遠隔端に剥離裏打ちを有する自己接着性アルミナイズストリップを施して遠隔端を固定して追加の接合部を形成する。アルミナイズストリップは接合されたブランケットの隣接端のアルミナイズ層の幾つかの隣接シートに当てられる。
【００１２】
【図面と発明の記述】
最初に第１図を参照すると、ＭＲＩ超電導磁石装置１０はヘリウムのような液体クライオジェン４６を含みそして真空容器２によって包囲されているヘリウム圧力容器４を含んでおり、ヘリウム容器と真空容器の間には熱隔離性防熱板６が挿入されている。クライオクーラー１２（Gifford-Mahon のクライオクーラーでよい）はスリーブ８、１８、２３内で真空容器２中を延びており、クライオクーラーの低温端をスリーブ内に真空容器２内の真空を壊すことなく選択的に位置づけることができ、クライオクーラーのモータ９によって発生される熱は真空容器の外にあるようにされている。クライオクーラー１２は組合せ転移フランジ２１でクライオクーラースリーブアセンブリ８、１８、２３内に据え付けられ、そしてボルト８２および関連する座金（図示せず）で固定されている。
【００１３】
クライオクーラー１２の第一段ヒートステーション１６は銅製第一段熱スリーブまたはヒートシンク１８と接触しており、ヒートシンク１８は銅製ブレード可撓性熱カップリング２２および２４、並びに隔離防熱板６上の銅製熱ブロック２６および２８を通して熱的に接続されていて、防熱板を略６０Ｋの温度に冷却して、ヘリウム容器４と真空容器２との間に活性な熱隔離を与えている。
【００１４】
クライオクーラー１２の第二段ヒートステーション３０の底面はインジウムガスケット２９に接触していて、インジウムガスケットの対向面上に位置づけられているヒートシンク１１に４Ｋの温度を効率的に提供している。
【００１５】
ヒートシンク１１に熱的に接続されこれより下方に延びてヘリウム再凝縮チャンバ３８があり、これは銅のような熱伝導性の高い材料からできており、ヒートシンク１１と熱的に接触された複数の実質的に平行の熱伝達プレートまたは表面４２を含み、ヘリウム圧力容器４からのヘリウムガス流の通路をこれらのプレートの表面間に形成している。
【００１６】
ＭＲＩ磁石装置１０に極低温を与えるときの液体ヘリウムの沸騰により液体ヘリウム供給源４６の液体ヘリウム表面レベル４４の上にヘリウムガス４０が形成される。ヘリウムガス４０はヘリウムガス通路５０を通ってヘリウム再凝縮チャンバまたはキャニスタ３８の上方部分４１の内部に至る。冷却された熱伝達プレート４２の間を通過する冷却されたヘリウムガス４０は再凝縮されて液体ヘリウムとなりヘリウム再凝縮チャンバ３８の底部領域４８内に集められる。こうして再凝縮された液体ヘリウムは次いでヘリウム帰還ライン５４中を重力によって流れて液体ヘリウム供給源４６に戻るが、この際ヘリウム再凝縮チャンバ３８がヘリウム容器内の液体ヘリウム通路５８より高く位置づけられていることに注意されたい。
【００１７】
その結果、ＭＲＩ技術界で周知の方法により矢印６２で一般的に示されている冷却によって、ＭＲＩ磁石装置１０の動作中に、液体ヘリウム４６は超電導磁石コイルアセンブリ（概して６０として示されている）を超伝導温度に冷却し、その結果液体ヘリウム４６が沸騰しヘリウム表面レベル４４の上方にヘリウムガス４０が生成される。しかしながら、ヘリウムガス４０は、多くのＭＲＩ装置で通常されているように周囲の環境３７に排気される代わりに、再凝縮されて液体ヘリウムに戻されて記述のような方法で液体ヘリウムとして液体ヘリウム供給源４６に帰還される。
【００１８】
多層断熱ブランケット３４および３６が防熱板６および真空容器２の間の空間および防熱板とヘリウム容器４との間の空間に与えられて、ヘリウム容器４を真空容器２から熱的に更に隔離している。断熱ブランケット３５が再凝縮チャンバ３８とヘリウム容器４との間に与えられて、特にクライオクーラースリーブ１３を温暖化するクライオクーラー１２の取り出しおよびサービスの間において、再凝縮チャンバ３８を熱的に隔離する。超断熱材３４および３６は以下に記述されるように広いアルミナイズされた多層断熱ブランケットである。
【００１９】
次に第２図を参照すると、断熱ブランケット８４および８６は例えば６０，７３，７４，７６，７７，７９，８０，８８および９０のような低放射率２５ゲージの薄いアルミナイズマイラまたはアルミニウムの熱反射性シートの複数のシートまたは層（２０あるいはそれ以上）を含んでおり、これらを例えばスパンボンドポリエステルの６２のような低伝導性材スペーサシートが分離しており、スパンボンドポリエステルはアルミナイズマイラまたはアルミニウムシートに結合されておらず、それらの個別で相対的な移動を潜在的に可能にしている。しかしながら、取扱中に層のこのような相対的な移動を防ぐためにそれらはナイロンのような非伝導性材料の複数のステーク６９によって一緒に保持されている。ステーク６９は衣料工業に使用されている”Ｔ”バーステークに類似していてよい。取扱および据付中の層６０および６２の滑りおよび移動を防ぐためにブランケットを一緒に保持する他の方法にはＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）の糸による縫い付けおよび超音波溶接が含まれる。
【００２０】
ＭＲＩ用途に対する特有の据付要件である必要な追加のブランケット幅を得るために、ブランケット８４および８６は以下に記載されるようにして一緒に接合される。
【００２１】
隣接する頂部層の反射シート６０は接合部７０で合わさることに気付かれたい。しかし、隣接する反射シートの次に低い層７３および７４と低伝導性の分離スペーサシート７１は接合部７５が接合部７０からオフセットされるようにオフセットされている。同様にして、反射シートの次に低い層７６および７７は接合部７５からオフセットされており接合部７０に整列した接合部７８で合わされている。例えば７９および８０のような反射シートの続く層の残りは例えば８１のような接合部で合わされ、このように反射シートの連続する接合部は断熱性ブランケットをオフセットの配列で交互に配置し重ねて形成しており、このオフセット配列では隣接する反射シートの接合部は互いに隣接して位置づけられず重ならない。このオフセットは図６の拡大上面図によって示されており、隣接または連続する接合部を通して熱が漏洩するのを防ぐために連続する接合部７０および７５が６−１２インチオフセットされているのがわかる。このような配列では、Ｔ−バーステーク６９を（図２に示されているように）接合部７０，７５，７８および８１の外の列において、ブランケット８４および８６をステークで止め、増大された厚さあるいは追加の熱漏洩の接合部を持たない増大された広さのブランケットを形成することが可能である。しかしながら、薄いマイラまたはアルミナイズシートの熱反射テープタブ７２を少なくとも外方即ち外側の接合部７０および９２の上に置いて使用し（図２参照）これらのテープタブを反射シート６０および６０並びに８８および９０にそれぞれまたがせることにより追加の強度および断熱を得ることができる。
【００２２】
図５に示されているように、反射シート６０の１つ以上のガス抜きスリットまたは開口６１を接合部７０に実質的に平行に延ばし、超電導磁石装置１０の超伝導動作を開始する前に真空容器２（図１参照）を排気するときにスペーサシート６２内に閉じこめられた何等かの残留空気またはガスの逃避あるいは排気を可能にする。連続する反射シートのオフセットにより７０および７５のような接合部がオフセットされたと同じ方法で通気スリットをオフセットするように、類似の通気スリット６１を７３，７４；７６，７７；７９，８０；および８８，９０（図２参照）のような反射シートに設ける。これによって閉じこめられたガスの逃避のための曲がりくねった間接的な通路が提供されるが、多層ブランケット８４および８６を通る直接の熱開口は回避される。ガスはまたブランケット８４およよび８６の隣接層間の７０および７５のような接合部を通しても逃げることができるが、これらの開口は説明の目的上図中では特に大きくして示されていることを認識されたい。
【００２３】
ブランケット８４および８６を一緒に接合して特殊な据付のためのより広いブランケットを形成し、この組み合わせたブランケットを適当な超電導磁石１０の部品の周りに覆った（例えば防熱板６および圧力容器４を包囲するために図１でブランケット３４および３６によって示されているように）後、それらの遠隔端が図３、４および５によって示されているように突合せ接合およびテープタブにより接合される。
【００２４】
図３、４および５は多層断熱性ブランケット８４および８６の遠隔端における接合部を示している。図３、４および５を参照すると、ブランケット８４および８６はできるだけ近づけて突き合わされており、図３および５では接合部または継ぎ目７０の間隔は誇張されている。低放射率の反射アルミナイズシート（図５ではこれらの全てが６０として示されている）の複数の隣接端が、隣接する反射シート６０の継ぎ目領域の上に延びる重ねられたテープタブまたはストリップ７２によって一緒に接合されている。図５では隣接するシート６０の複数ではあるが幾つかだけがストリップによって一緒に固定されていることに気付かれたい。ある据付によっては真空容器２から防熱板６（図１参照）への熱伝達を最小にするのに最も効果的となろう継ぎ目でのエンクロージャを形成するためにアルミナイズ反射シート６０の殆どのあるいは全ての隣接する対ですら接合することが望ましいかもしれない。
【００２５】
図４に最も良く示されているように、テープタブ７２は両面アルミナイズされたマイラテープ７４の片面に適当な接着剤８０，８２を含んでおり、これらはタブの接着剤８０，８２側面の中心７９からテープの縁部まで延びる剥離裏打ち７６，７８によって保護されており、これによりタブの選択的な除去が可能となっている。これにより剥離裏打ちの片側半分の除去または露出を可能にして、多層ブランケット８４のアルミナイズシート６０へ付着するために接着剤８０を露出し、その後で剥離裏打ちの残り７８を逐次除いてブランケット８６の隣接するアルミナイズシートへテープまたはストリップ７４を固定するために接着剤の残部８２を露出する。タブ７２は必要とされる程度の断熱性およびブランケット構造一体性を確保するために如何なる数のアルミナイズシート６０上にも与えることができる。１つ以上の遠隔縁部上に予めテープタブ７２が据え付けられた８４のようなブランケットは、８６のような隣接するブランケットを接合して据え付け熱漏洩の低いシールを提供する速度と容易さとを大いに増すことであろう。これは、上記に図２に関して記載されたように既に接合されている多層ブランケットの遠隔端を接合するためおよび図１の断熱性ブランケット３４および３６のような多層ブランケットを磁石装置１０内に据え付けた後に遠隔接合部が達成される場合に特に適用しうる。
【００２６】
上記に記載したように接合された８４および８６のような多層断熱ブランケットは防熱板６または圧力容器４および真空容器２（図１参照）のような異なる温度にある２つの表面間の熱漏洩に対して効果的な断熱を提供し、また真空容器を排気して超電導磁石１０を超伝導にする間に断熱性ブランケット内に閉じこめられた如何なるガスに対して逃避の通路をも提供する。このような多層断熱材は高度の真空環境（≦１×１０^-4トル）で使用されるときは熱を遮断するのに極めて効率的である。従って、これはクライオクーラー１２の能力がヘリウムガスを適当に再凝縮し液体ヘリウムに戻して超電導磁石に再使用することを可能にする際その限界の負担を担わされることになりかねないＭＲＩ超電導磁石１０のような極低温用途において極めて重要である。各低放射率層６０は非冷却防熱板として働き、その効率は表面放射率に比例している。低伝導率スペーサ６２は隣接する層間の接触を最小にする。各層が異なる温度で効果的に動作するので、これにより伝導熱の伝達は最小になる。真空容器２内の高度の真空は層６０間の如何なる残留ガスを通じての熱の伝導を最小にし、割れ目あるいは継ぎ目が適当に閉じられていないと極小さなこのような継ぎ目あるいは割れ目ですらブランケットの主表面域を通して伝達される全熱を容易に超えうる熱の漏洩を起こしうるのでテープタブ７２はブランケット８４および８６の間の継ぎ目を効果的に閉じる。自己接着性タブ７２は、現行の閉鎖配備、特に超電導磁石１０の組立または据付の間に継ぎ合わせが達成されるときに現在遭遇しているような飽き飽きするような時間のかかる仕事をせずとも超電導磁石断熱ブランケットに対して効果的なクロージュアを提供する。隣接するシート６０を取扱いそして接合する余地を与えるためにテープタブ７２は略２インチ幅であり、ステーク６９は略１２インチ間隔で位置づけられる。
【００２７】
図５は複数のアルミナイズテープタブ７２を隣接するアルミナイズシート６０の単一表面上に置いて使用することを例示しており、一方図３は隣接するアルミナイズシートに関してテープタブを異なる位置づけにしていることを例示している。図３を参照すると、テープタブ６３は隣接するアルミナイズ反射シート６０の底部表面上に位置づけられており、一方テープタブ６５および６７は隣接する反射シート６０の頂部および底部の両表面の上に置かれていることに気づかれたい。テープタブ５７および５９は、テープタブ６５および６７と同様に、隣接する反射シート６０の頂部および底部の両方の上に置かれる。しかし、タブ５７および５９はその後に隣接するブランケット端６８に固定されるブランケット端６６に最初に固定されるように示されているのに対して、テープタブ６５および６７の場合にはテープタブ６５は最初にブランケット端６６に固定され一方テープタブ６７は最初にブランケット端６８に固定されており、仕上がり接合部５７，５９と仕上がり接合部６５，６７は本質的に同じに提供される。このように、テープタブの最初の固定は接合される断熱性ブランケット端のいずれでもよく、あるいは幾つかのテープタブを最初に断熱性ブランケットの両方に置くことができる。交互の反射層６０および断熱層６２は一緒に結合されていないので、ステーク６９の間の領域ではこれらは自由に移動し分離される。その結果、例えば中間のテープタブ７２を利用することが望ましいときには、このテープタブを隣接する反射層に固定する間この固定されるタブの上にある反射および断熱層６０，６２を簡単に押してずらすことができる。説明を容易にするため、固定される反射層６０に対するテープタブ７２の当初の位置は図３では隣接する層を押しのけることなく示されている。
【００２８】
以上のように、本発明は市場で製造され入手できるものより広く、このようなより広いブランケットを必要とする超電導磁石、特に残留熱漏洩に非常に敏感で熱漏洩があるとその中の再凝縮装置の実際的あるいは効率的な運転ができなくなる可能性のあるゼロボイルオフ磁石に使用するのに適した断熱性ブランケットを提供する。本発明は多層ブランケットの継ぎ目を熱的に効率的にシールし同時に閉じこめられたガスが逃避する通路を提供する迅速で、安価で、簡単な配列を提供している。
【００２９】
本発明はその或る好適な実施の態様に関して記載されたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、構成、配列および部品の組合せの詳細および使用される材料のタイプに種々の変更をなし得ることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を導入した単純化した形で示されているＭＲＩ超電導磁石の一部の部分断面図である。
【図２】接合されたブランケット間のブランケット継ぎ目の詳細を示している図１の断熱性ブランケットの拡大した部分を示す図である。
【図３】ブランケットの遠隔端を固定するためにブランケットの隣接する反射シートの間の複数の接合部を固定する手段を例示している図１の断熱性ブランケットの継ぎ目の拡大され簡略にされた図である。
【図４】図３の一部を拡大した図である。
【図５】図３の簡略にされた図の斜視図である。
【図６】図２の一部の拡大された上面図である。

Claims (11)

1. 磁気共鳴イメージングに適した、防熱板およびクライオジェン圧力容器を包囲する真空容器を含む、超伝導磁石内に使用するための断熱材において、
   互いに隣接して位置づけられた断熱性の多層ブランケットであって、
   各ブランケットは低伝導性のスペーサ材で分離された低熱放射率の材料の複数の間隔をおかれた層を取付中に各層が相対的に移動することがないように一緒に固定して含んでおり、ブランケットの隣接する縁部は継ぎ目を形成していてその接合部がブランケットの連続する層でオフセットされている、前記ブランケットと、
   前記ブランケットの遠隔端同士を閉じて前記多層ブランケットを通しての熱伝達を最小にするために、前記遠隔端の継ぎ目において隣接する前記低放射率材の層の上に付着され、ブランケットの複数の層の上に配置された低放射率の材料の接着性ストリップと、
   を含む、断熱材。
2. 前記低放射率材がアルミニウムおよびアルミナイズマイラからなる群から選ばれる、請求項１記載の超電導磁石断熱材。
3. 低伝導性のスペーサ材で分離された低熱放射率の材料の前記複数の間隔をおかれた層を貫通する複数の熱的に非伝導性のステークによって一緒に固定されている、請求項２記載の超電導磁石断熱材。
4. 前記ステークが前記層を相対的に移動しないよう固定するために使用され、そして前記ステークは前記隣接する縁部に隣接した領域の外にそして前記ストリップを超えて位置づけられている、請求項３記載の超電導磁石断熱材。
5. 前記ステークはその両端でＴ−形をしていて、前記間隔をおかれた層の頂部および底部を超えて延びている、請求項４記載の超電導磁石断熱材。
6. 前記ストリップが自己接着性ストリップであり、該自己接着性ストリップが剥離裏打ちを含んでおり、実質的にその半分が前記ブランケットの前記遠隔端の一つに接着されていて、前記ブランケットが前記真空容器内に位置づけられるときに前記遠隔端を一緒に固定するのに他の半分が利用できる、請求項１乃至５のいずれかに記載の超電導磁石断熱材。
7. 低放射率の材料の前記シートの少なくとも幾つかにガス抜きスリットが与えられている、請求項１乃至６のいずれかに記載の超電導磁石断熱材。
8. 隣接する層における前記ガス抜きスリットが互いにオフセットされ、閉じこめられたガスの逃避のための曲がりくねった間接的な通路が提供される、請求項７記載の超電導磁石断熱材。
9. 前記低伝導性のスペーサ材がスパンボンドされたポリエステルであり、低放射率層に結合されていない、請求項８記載の超電導磁石断熱材。
10. 各ブランケットの複数の層が突き合わされ、そして前記ストリップが隣接する反射層の複数の対の上にあり、
    隣接する反射層の１層以上が前記層間の接合部の両面に当てられた前記ストリップを含んでいる、請求項４記載の超電導磁石断熱材。
11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載の超電導磁石断熱材を据付る方法であって、
    取付中に前記多層ブランケットの各層が相対的に移動することがないように、また、前記接合部が前記ブランケットの連続する層でオフセットされるように固定して前記多層ブランケットを形成する段階と、
    該形成されたブランケットで前記防熱板又は前記圧力容器４を包囲する段階と、
    該包囲したブランケットの前記遠隔端同士を突合せる段階と、
    該突合された前記遠隔端同士を前記接着性ストリップにより接合する段階と、
    を含む方法。

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