DE2719930A1

DE2719930A1 - Ionisationskammer

Info

Publication number: DE2719930A1
Application number: DE19772719930
Authority: DE
Inventors: John Mapes Houston
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1976-05-06
Filing date: 1977-05-04
Publication date: 1977-11-17
Also published as: DE2719930C2; IL51499A0; FR2350688A1; NL7704813A; FR2350688B1; IL51499A; JPS52152782A; US4047040A; JPS5853470B2; GB1577777A

Description

Die Erfindung betrifft Ionisationskammern für Röntgenstrahlendetektoren und mehr im besonderen betrifft sie Hochgeschwindigkeits-Ionisationskammern mit einer abschirmenden Gitterelektrode.

Ionisationskammernwerden üblicherweise für den Nachweis von Röntgenstrahlenphotonen und andere ionisierende Strahlung eingesetzt. Die Röntgenstrahlenphotonen treten mit den Atomen eines schweren Detektorgases in Wechselwirkung unter Erzeugung eines Elektron/ Ion-Paares. Die Röntgenstrahlphotonen werden im allgemeinen durch ein Gasatom absorbiert, das ein Photoelektron von einer seiner Elektronenschalen emittiert. Die Photoelektronen bewegen sich durch das Gas, treten in Wechselwirkung mit und ionisieren andere Gasatome und erzeugen so einen Schauer von Elektronen und positiven

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Ionen, die auf geeigneten Elektroden gesammelt werden können, um einen elektrischen Strom zu produzieren. Werden solche Elektronen/ Xonen-Paare in einer Region zwischen zwei Elektroden entgegengesetzter Polarität erzeugt, dann driften sie entlang den elektrischen Feldlinien zu den Elektroden und geben einen elektrischen Strom. Der elektrische Stromfluß zwischen den Elektroden ist eine Funktion der Gesamtzahl der Röntgenstrahlphotonen, die in der Nähe dieser Elektroden in Wechselwirkung treten.

Die Wahrscheinlichkeit dieses Nachweises eines Röntgenstrahlphotons ist eine Funktion des Atomgewichtes des Gases und der Zahl der Gasatome, die zwischen der Kollektorelektrode liegen. Es können daher Detektoren hoher Empfindlichkeit mit Hilfe eines Gases großen Atomgewichtes bei einem relativ hohen Druck konstruiert werden. Die Detektorempfindlichkeit kann auch dadurch erhöht werden, daß man den Abstand und damit die Zahl der Gasmoleküle zwischen den Elektroden vergrößert. Ein vergrößerter Elektrodenabstand vergrößert jedoch den Abstand über den die Elektronen/Ionen-Paare driften und führt so zu einer Zunahme der Erholungszeit des Detektors. Ein erhöhter Gradient des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden führt zu einer Zunahme der Ionendriftgeschwindigkeit und verkürzt auf diese Weise etwas die Erholungszeit des Detektors. Die Steigerung des elektrischen Qradienten ist jedoch nach oben begrenzt, da bei einem zu Bteilen Gradienten eine lawinenartige Verstärkung beginnt, die eine Unsicherheit bezüglich der Verstärkung und eventuell einen Gasdurchbruch verursacht. Auch verursacht eine zunehmende Detektorspannung unerwünschte Zunahmen hinsichtlich der mikrofonischen Empfind· lichkeit des Detektors.

Zur Messung von Röntgenstrahlen-Intensitätsverteilungen in einer computerisierten transversal axialen Tomographie-Vorrichtung werden üblicherweise Reihen von Ionisationskammern eingesetzt. In einer typischen Anwendung einer solchen Vorrichtung wird eine bewegte Röntgenstrahlquelle wiederholt hin- und herbewegt bzw. pulsiert, um Röntgenstrahlenergie entlang einer Vielzahl bestimmter Röntgenstrahl-Pfade durch einen zu untersuchenden Körper zu

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übertragen. Die durch den Körper übertragene Energie wird in einer Reihe von Ionisationskammern nachgewiesen und mit Hilfe eines Digitalcomputers unter Erzeugung von Röntgenbildern innerer Körperstrukturen verwertet. In der älteren deutschen Patentanmeldung P 26 42 741.8 ist eine Reihe von Ionisationskammern beschrieben, die wirksam in einer computerisierten transversal axialen Tomographieausrüstung eingesetzt werden kann.

Die Geschwindigkeit, mit der in einer Reihe von Ionisationskammerdetektoren in einer computerisierten Tomographieausrüstung Daten gesammelt werden können, ist durch die Erholungszeit der einzelnen Detektorzellen begrenzt. Die Zeit zwischen den Röntgenstrahlimpulsen muß ausreichend lang genug sein, um das Einsammeln im wesentlichen aller geladenen Teilchen innerhalb der Detektorzellen zu gestatten.

Die Ionisationskammern erzeugten Elektronen driften sehr rasch zu der Anode, während die positiven Ionen sich sehr viel lang samer zu der Kathode bewegen. Im allgemeinen kann jedoch der Elektronenstrom in den bekannten Ionisationskammern nicht unabhängig gemessen werden, da er durch einen Verschiebungsstrom maskiert wird, der im Anodenstromkreis durch die von der Anode abfließenden positiven Ionen erzeugt wird.

Es gibt jedoch hinsichtlich der vorstehenden Ausführung eine Ausnahme. Eine einfache Zwei-Elektroden-Ionisationekammer kann unabhängig den Elektronenanteil nachweisen, wenn der Röntgenimpuls, verglichen mit der Ionendriftzeit sehr kurz ist. In diesem Falle zeigt sich der Elektronenanteil als ein intersiver kurser Impuls über dem sich langsam verändernden lonenverschiebungsstrom. In den meisten computerisierten Tomographie-Röntgenauerüstungen läßt sich jedoch ein ausreichendes RuntgenfluAniveau nicht erreichen, wenn der Röntgenimpuls im Vergleich «ur Ionen driftzeit kurz ist, auch nicht bei dem derzeit in üblichen Röntgen röhren erzielbaren Maximalstrom. In den gegenwärtigen computeri sierten Tomographiesystemen ist es stattdessen notwendig, einen

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Röntgenimpuls zu benutzen, welcher eine mit der Ionendriftzeit vergleichbare Länge hat (üblicherweise einige Millisekunden). In einem solchen Falle gibt es keine Möglichkeit, den Elektronenstromanteil in den bekannten Ionisationskammern getrennt zu messen.

Solche bekannten Ionisationskammern sind z. B. in dem Buch von B. B. Rossi und H. H. Staub "Ionization Chambers and Counters Experimental Techniques" McGraw-Hill-Verlag 19^9, Kapitel 5, beschrieben.

Mechanische Vibrationen, die zu den Elektroden der bekannten Ionisationskammern übertragen werden können, verändern den Elektrodenabstand und die Kapazität und führen so zur Einführung mikrofonischer Fehlerströme in den Detektorstromkreis. Das durch diese mikrofonischen Ströme erzeugte elektrische Geräusch kann es notwendig machen, eine erhöhte Strahlungsdosis einzusetzen, um tomographische Bilder einer gegebenen Auflösung zu erzeugen.

Eine Gitterelektrode ist in der Detektorregion einer Ionisationskammer benachbart der Anode angeordnet und wird auf einem elektrischen Potential zwischen dem der Anode und dem der Kathode gehalten. Das Gitter wird zum Abschirmen der Anode vom elektrischen

benutzt,
Felavdas durch die positiven Ionen erzeugt wird, die zu der Kathode fließen und es gestattet somit eine unabhängige Messung des zur Anode fließenden Anodenstromes, selbst wenn die Röntgenimpuls länge nicht sehr viel kürzer ist als die Ionendriftzeit. Die Erholungszeit der Ionisationskammer wird somit um mehrere Größenordnungen gegenüber den bekannten Ionisationskammern verringert. Das Gitter kann starr an der Anode befestigt werden und es beseitigt durch Abschirmen der Anode vom elektrischen Kathodenfeld das Auftreten kapazitiver mikrofonischer Ströme, die anderenfalls im Anödenstromkreis fließen würden.

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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Figur 1 eine bekannte Ionisationskammer für Rontgenstrahlendetektor,

Figur 2 eine Ionisationskammer für Rontgenstrahlendetektor nach der vorliegenden Erfindung,

Figur 3 eine Schnittansicht der Gitterstruktur der vorliegenden Erfindung,

Figur 4 eine Ionisationskammerreihe nach der vorliegenden Erfindung,

Figur 5 eine andere Ausfuhrungsform einer Ionisationekammerreihe nach der vorliegenden Erfindung.

Figur 1 zeigt eine einzelne Zelle eines Ionisationskammer-Röntgen-Strahlendetektors nach dem Stand der Technik. Röntgenstrahlenphotonen 10 treten mit Atomen eines schweren Gases 12 in der Region zwischen einer planaren Anode I¹I und einer parallelen planaren Kathode 16 in Wechselwirkung. Eine Spannungsquelle 18 ist zwischen der Anode I¹I und der Kathode 16 verbunden, um ein elektrisches Feld in der Region dazwischen zu induzieren.

Ein Röntgenstrahlphoton, das in dem Gas 12 absorbiert wird, erzeugt üblicherweise ein Photoelektron, das seinerseits eine Anzahl von Elektronen/Ionen-Paaren in dem Gas erzeugt. Die Elektronen driften rasch zur Anode Ii (üblicherweise in etwa einer Mikrosekunde), während die Ionen sehr viel langsamer «ur Kathode 16 driften (üblicherweise in einigen Millisekunden). Der von der Anode lh zur Spannungsquelle 18 fließende Strom I. muß notwen* : digerweise gleich dem Strom I₂ sein, der von der Spannungequelle zur Kathode 16 fließt und der durch den Fluß positiver Ionen cur Kathode bestimmt ist. Der rasche Elektronenstrom cur Anode 1*1

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wird überlagert durch einen etwa gleichen und entgegengesetzten Verschiebungsstrom, der induziert wird, wenn positive Ionen sich aus der "Region der Anode zur Region der Kathode bewegen. Obwohl keine Ionen zur Anode fließen, zeigt der Strom von dieser Elektrode doch ein relativ langsames Ansprechen, daß durch die langsame Bewegung der positiven Ionen gesteuert ist, d. h. nach Beendigung des Röntgenimpulses strömt der Verschiebungsstrom in der Anode weiter (üblicherweise für einige Millisekunden) bis alle Ionen.die Kathode erreichen.

Die Figur 2 zeigt eine verbesserte Ionisationskammer gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein schweres Detektorgas 12 nimmt den Raum zwischen einer Anode 14 und einer Kathode 16 ein. Eine offen· Gitterelektrode 20 ist in dem Gas 12 benachbart und parallel zur Anode I¹I angeordnet. Die Gitterelektrode 20 wird mittels der Spannungsquellen 22 und 24 auf einer Spannung zwischen der der Kathode 16 und der der Anode 14 gehalten. Röntgenstrahlphotonen treten in den Detektor ein und treten in Wechselwirkung mit dem Gas 12 unter Schaffung von Elektronen/Ionen-Paaren in der Region zwischen der Kathode 16 und dem Gitter 20. Die Elektronen driften raech in Richtung auf das Gitter, während die Ionen langsam in Richtung auf die Kathode driften. Einige der Elektronen sammeln sich auf dem Gitter. Ein Teil der Elektronen (z. B. die Hälfte) passiert jedoch das Gitter und erreicht die Anode. Die Zahl der Elektronen, welche die Anode erreicht, kann erhöht werden, indem man die Spannung Vp der Spannungsquelle 22 und V. der Spannungsquelle 24 so einstellt, daß das elektrische Feld zwischen dem Gitter und der Anode größer ist als das elektrische Feld zwischen dem Gitter und der Kathode.

Das Detektorgas 12 sollte vorteilhafterweise ein Gas mit einem Atomgewicht größer als oder gleich dem Atomgewicht von Argon sein und es kann üblicherweise Xenon oder eine Mischung seltener Gase bei einem Druck im Bereich von etwa 10 bis etwa 100 Atmosphären 3ein.

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Der aufgrund der Ionenbewegung auftretende Verechiebungsetrom zwischen der Kathode 16 und dem Gitter 20 fließt zum Gitter, da die Anode lh jetzt elektrostatisch von der sich langsam ändernden Ionenladung in dieser Region abgeschirmt ist. Der Strom I₁, der von der Anode 14 wegfließt, ist nur durch den Elektronenfluß bestimmt und hat eine Ansprechzeit in der Größenordnung von 1 Mikro« Sekunde, was etwa 1000 mal schneller ist, als eine durch die Ionendifttoestimmte Ansprechzeit.

In Figur 3 ist eine Gitterstruktur gezeigt, die vorteilhaft in Ionenkammern nach der vorliegenden Erfindung eingebaut werden kann. Eine dünne gleichmäßige Schicht 30 isolierenden Materials, z. B. aus Aluminiumoxid, Quarz oder Bornitrid wird auf die Oberfläche einer Metallanode 14 aufgebracht. Eine dünne Netallschicht 32 wird auf die isolierende Schicht 30 gegenüber der Anode aufgebracht. Dann bringt man Löcher J>h durch Ätzen oder Sandblasen in die dünne Metallschicht 32 und die isolierende Schicht 30 ein, um ein isoliertes Gitter zu bilden, das direkt mit der Anode verbunden ist. Ähnliche Techniken zur Bildung direkt verbundener Gitter sind zur Verwendung in Elektronenröhren aus Keramik und Metall entwickelt worden. In der vorliegenden Erfindung muß die isolierende Schicht zwischen dem Gitter 32 und de* Anode 1Ί jedoch einen hohen elektrischen Widerstand haben, üblicherweise bei 10¹² 0hm oder mehr, um den elektrischen Leckstrom vom Gitter 32 zur Anode lh möglichst gering zu halten.

Das direkt verbundene Gitter der Figur 3 wirkt weiter als Abschirmung für die Anode 14 vor irgendeinem sich verändernden elektrischen Feld, das durch die Vibration der Anode oder di· benachbarten Elektroden verursacht werden könnte. Detektoren der erfindungsgemäßen Konstruktion erzeugen daher weit geringer· mikrofonische Ströme, als die Detektoren des Standes der Teohnik,

In Figur h ist eine Ionisationskammerreihe zum Bestimmen der räumlicher. Verteilung der Röntgenstrahlenintensität gezeigt. Eine Gitterstruktur 20 ist parallel zu einer Planarkathode 16 angeordnet. Mehrere Anodensegmente 40 sind benachbart dem Gitter

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gegenüber der Kathode 16 angeordnet. Ein Detektorgaa 12 füllt die Region zwischen der Kathode 16, dem Gitter 20 und den Anoden 40. Jede der einzelnen Anoden ¹IO ist mit Erde durch einen Signalverarbeiterstromkreis 12 verbunden, der Einrichtungen zum Messen und Quantifizieren des Stromflusses von jedem Anodensegment umfaßt. Die Kathode 16 wird mittels einer ersten Spannungsquelle 44 mit Bezug auf Erde auf einer negativen Spannung gehalten. Das Gitter 20 hält man|mittels einer zweiten Spannungsquelle 46 auf einer Spannung zwischen der der Kathode und Erde. Bei einem Abstand D vom Gitter zur Kathode von etwa 10 mm und einem Abstand d vom Gitter zur Anode von etwa 0,1 mm wird die Kathode vorteilhafterweise bei etwa 1000 Volt unterhalb des Erdpotentials gehalten und das Gitter etwa 30 Volt unter dem Erdpotential. Die Elektronendrift geschwindigkeit variiert jedoch nur leicht mit dem elektrischen Feld und ein weiter Bereich anderer Spannungen ist möglich. Das elektrische Feld im Detektor sollte daher in jedem Falle unterhalb den Werten gehalten werden, die in dem Detektorgas 12 einen Lawinendurchbruch erzeugen und somit ein stark nicht-lineares Ansprechen verursachen.

Die Ausführungsform des Detektors der Figur 4 ergibt außerordentlich kurze Erholungszeiten. Die räumliche Auflösung dieses Detektors ist jedoch durch die charakteristische Xenonstrahlung begrenzt, die eine Einstreuung zwischen den Ausgangssignalen der benachbarten Anodensegmente 40 erzeugt. Figur 5 ist eine AusfUhrungsform der vorliegenden Erfindung, die für die durch die charakteristische Xenonstrahlung erzeugte Einstreuung weniger empfindlich ist, als der Detektor der Figur 4. Diese Ausführungsform umfaßt eine Vielzahl im wesentlichen paralleler Kathodenplatten 50, die durch Isolatoren 58 getrennt und gestützt sind. Viele Anodenplatten 52 sind in gleichen Abstand zwischen den Kathodenplatten 50 angeordnet und gleicherweise durch Isolatoren 58 abgestützt. Geerdete Schutzringe 60 können zwischen den Kathodenplatten 50 und den Anodenplatten 52 in die Isolatoren 58 eingeführt werden, um die Leckströme abzuführen, die anderenfalls an den Isolatoren entlangfließen und Fehler in den Strah-

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lungsmessungen erzeugen können. Die Kathodenplatten 50 werden mittels einer Spannungsquelle 62 auf einer negativen Spannung mit Bezug auf Erde gehalten. Die Anoden 52 sind durch die Strommeßschaltkreise 64 mit Erde verbunden. Ein Paar leitender Gitter 5*J ist benachbart den Oberflächen jeder Anodenplatte 52 angeordnet. Die Gitter können auf einer dünnen Schicht, von z. B. 0,1 mm Dicke aus isolierendem Material 56 auf der Oberfläche der Anoden abgestützt sein, wie dies mit Bezug auf Figur 3 beschrieben ist. Die Gitterstrukturen sind mittels einer Spannungsquelle 65 bei einer Spannung zwischen der der Kathoden und Erde gehalten.

Die Anodenplatten 50 und die Kathodenplatten 52 sollten vorteilhafterweise aus Metallen einer hohen Atomzahl, z. B. Molybdän, Tantal oder Wolfram hergestellt sein. So können in einem typischen Detektor z. B. die Anoden- und Kathodenplatten aus 0,05 nun dicken Molybdän- oder Wolframfolien, montiert auf zwei Millimeter-Centren, konstruiert sein. Die Anoden- und Kathodenfolien dienen zum Abschirmen der einzelnen Detektorzellen von der charakteristischen Xenonstrahlung. In einer typischen Zelle können die Kathoden 50 bei einer Spannung von etwa 200 Volt unterhalb Erde und die Gitter 5¹J bei einer Spannung von etwa 30 Volt unterhalb Erdpotential gehalten werden.

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Leerseite

Claims

Dr. rer. not. Horst Schuler ⁶⁰⁰O Frankfurt/Mam ι 3. Mai 1977

PATINTANWAIT KaU.rs.rc».. 41 Dr.Sb/he.

Telefon (0411) 235555 Telex: 04-16759 mopot d Postscheck-Konto: 282420-602 Frankfurt/M.

2719930 Bankkonto: 225/0389

^{V V} Deutsche Bank AG, Frankfurt/M.

Ansprüche 42OO-RD-8422

f 1. !Ionisationskammer für Röntgenstrahlendetektor mit einer im wesentlichen flachen Anodenfolie, einer im wesentlichen flachen Kathodenfolie, die parallel zu der Anodenfolie angeordnet ist, einem gasförmigen Detektormedium zwischen Anode und Kathode, einer Einrichtung ein elektrisches Potential zwischen Anode und Kathode aufrechtzuerhalten und einer Einrichtung den Stromfluß von der Anode zur Kathode zu messen, gekennzeichnet durch eine offene Gitterstruktur zwischen der Kathodenfolie und der Anodenfolie und einer Einrichtung das Gitter auf einem elektrischen Potential zu halten, das zwischen dem von Anode und Kathode liegt.
2. Ionisationskammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Gitter benachbart der Anode angeordnet ist.
3. Ionisationskammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß sie weiter eine perforierte isolierende Schicht auf der Oberfläche der Anodenfolie aufweist und wobei das Gitter eine dünne perforierte Metallfolie umfaßt, die auf dieser isolierenden Schicht angeordnet ist, wobei die Perforationen der isolierenden Schicht und der Metallfolie zueinander ausgerichtet sind.
k. Ionisationskammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Isolationsschicht A] uminiumoxid, Quarz oder Bornitrid umfaßt.
5. Ionisationskammer nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet , daß das gasförmige Medium Gase mit einem Atomgewicht größer oder gleich dem Atomgewicht von Argon umfaßt.

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ORIGINAL INSPECTED
6. Ionisationskammer nach Anspruch 5, dadurch g*e kennzeichnet, daß das gasförmige Medium Xenon umfaßt.
7· Ionisationskammer nach den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Medium einen Druck im Bereich von etwa 10 bis etwa 100 Atmosphären hat.
8. Ionisationskammer nach den Ansprüchen 1-7, dadurch gekennzeichnet , daß die elektrische Feldstärke zwischen dem Gitter und der Anode wesentlich größer iat als die elektrische Feldstärke zwischen dem Gitter und der Kathode,
9. Ionisationskammer nach den Ansprüchen 1-9, dadurch gekennzeichnet , daß die Anodenfolie mehrere leitende Segmente umfaßt, die elektrisch voneinander isoliert sind und wobei die Einrichtung zum Messen des Stromes zum Messen einzelner Stromflüsse von jedem Segment eingerichtet ist.
10. Ionisationskammerreihe für Röntgenstrahlendetektor der Art mit einem gasförmigen Detektormedium, mehreren im wesentlichen planaren Anoden, die in dem gasförmigen Medium angeordnet sind, mehreren planaren Kathoden in dem gasförmigen Medium, wobei jede der Kathoden etwa in gleichem Abstand zwischen zwei der Anoden liegt und eine Einrichtung vorhanden ist, um ein elektrisches Gleichstrompotential zwischen den Kathoden und den Anoden anzulegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisationskammerreihe weiter mehrere offene Gitterstrukturen benachbart den Oberflächen der Anoden und Einrichtungen umfaßt, die Gitterstrukturen bei einem Potential zwischen dem der Kathoden und dem der Anoden zu halten.

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11. Ionisationskammerreihe nach Anspruch 10, weiter g e kennzeichnet, durch mehrere dünne perforierte Schichten, welche die Anoden und die Gitter voneinander trennen.
12. Ionisationskammerreihe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Gitter an einer isolierenden Schicht befestigt sind,und daß die isolierenden Schichten an den Anoden befestigt sind.

13· Ionisationskammer nach den Ansprüchen 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen den Gittern und den Anoden erzeugte elektrische Feld beträchtlich stärker ist als das elektrische Feld zwischen den Gittern und den Kathoden.

1*4. Ionisationskammerzelle der Art mit einem Detektorgas in der Region zwischen einer Kathode und einer Anode und einer Einrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Feldes zwischen der Kathode und der Anode, gekennzeichnet durch eine offene Gitterstruktur in dem Gas benachbart der Anode und einer Einrichtung zum Halten der Gitterstruktur bei einem elektrischen Potential zwischen dem von Kathode und Anode, wobei die Anode von Variationen des elektrischen Feldes in der Region zwischen Gitter und Kathode abgeschirmt ist.

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