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論文

J-PARC RCS; High-order field components inherent in the injection bump magnets and their effects on the circulating beam during multi-turn injection

發知 英明; 原田 寛之; 高柳 智弘

Journal of Physics; Conference Series, 1350, p.012102_1 - 012102_5, 2019/11

 被引用回数:1 パーセンタイル:16.63

In the J-PARC RCS, we investigated the influences of high-order field components inherent in four sets of injection bump magnets (dipole magnets) on the circulating beam during multi-turn injection. Ideally, the injection bump fields including the high-order field components are cancelled out with each other through the integration over the four injection bump magnets. But, in the RCS, such a field compensation is incomplete owing to the effects of magnetic interferences and feed-down fields. The residual high-order field components, not cancelled out, have a significant influence on the circulating beam via the excitation of high-order random betatron resonance. In this paper, we discuss the detailed mechanism of emittance growth and beam loss caused by the high-order field components of the injection bump magnets including their correction scenario, on the basis of numerical simulation and experimental results.

論文

J-PARC RCSにおけるビーム力学的研究とビーム損失の低減

發知 英明; 原田 寛之; 岡部 晃大; Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 田村 文彦; 吉本 政弘

加速器, 16(2), p.109 - 118, 2019/07

RCSのようなMW級の大強度陽子加速器では、ビーム損失により生じる機器の放射化がビーム出力を制限する最大の要因となる。RCSでは、ビーム損失の原因となる様々な効果(空間電荷効果,非線形磁場,フォイル散乱等)を取り込んだ高精度の計算モデルを構築し、数値シミュレーションと実験を組み合わせたアプローチでビーム損失の低減に取り組んできた。計算と実験の一致は良好で、計算機上で、実際に発生したビーム損失を十分な精度で再現できたことは画期的なことと言える。数値シミュレーションで再現したビーム損失を詳細に解析することで、実際の加速器で起こっている現象を十分な確度で理解することが可能になっただけでなく、それを低減するためのビーム補正手法を確立するのに数値シミュレーションが重要な役割を果たした。ハードウェアの改良と共に、こうした一連のビーム力学的研究により、1MW設計運転時のビーム損失を10$$^{-3}$$という極限レベルにまで低減することに成功している。本稿では、ビーム増強過程で問題になったビーム損失について、その発生機構や解決方法を報告すると共に、その際に数値シミュレーションが果たした役割について具体例を挙げて紹介する。

論文

J-PARC RCSビームコミッショニングの進捗報告; 1MW以上のビーム出力の実現に向けた取り組み

發知 英明; 原田 寛之; 林 直樹; 金正 倫計; 岡部 晃大; Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 田村 文彦; 山本 風海; 山本 昌亘; et al.

Proceedings of 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.574 - 578, 2019/07

J-PARC RCSは、2018年の7月に、設計出力1MWの試験運転に成功したところである。高出力かつ安定な利用運転を実現するためには、さらに高いビーム強度でのビームの振る舞いを調査することが必要となるため、RCSでは、2018年10月と12月に、1.2MW相当の大強度試験を実施した。当初、1$$%$$程度の有意なビーム損失が出現したが、ベアチューンや横方向ペイント範囲を最適化することで、そのビーム損失を10$$^{-3}$$レベルにまで低減することに成功した。本発表では、上述の大強度試験結果、特に、その際に出現したビーム損失の発生メカニズムやその低減のために行った一連の取り組みに焦点を当てて報告する。

論文

J-PARC RCSにおける大強度陽子ビームのビーム力学的研究とビームロスの低減

發知 英明

FASだより(インターネット), (18), p.20 - 26, 2019/06

RCSは、1MWのビーム出力を目指す世界最高クラスの大強度陽子加速器である。こうした加速器では、ビーム損失により生じる機器の放射化がビーム出力を制限する最大の要因となる。ビーム損失の原因(誤差磁場,空間電荷効果,像電荷効果,フォイル散乱等)は多様で、複数の効果が絡み合った複雑な機構でビーム損失が生じるため、その解決を果たすには、高度なビームの運動学的研究が必要となる。RCSでは、実際のビーム試験と共に、計算機上での数値シミュレーションを精力的に行ってきた。実験と計算の一致は良好で、ビーム損失の発生メカニズムやその解決策を議論するうえで、数値シミュレーションが重大な役割を果たした。ハードウェア系の改良と共に、こうしたビーム試験と数値シミュレーションを反復的に行うアプローチにより、RCSでは、10$$^{-3}$$という極めて少ないビーム損失で1MWのビーム加速を達成したところである。本発表では、RCSのビーム増強過程で顕在化したビーム損失の発生メカニズムやその低減に向けた取り組みなど、RCSビームコミッショニングにおけるここ数年の成果をレビューする。

論文

J-PARC RCS; High-order field components inherent in the injection bump magnets and their effects on the circulating beam during multi-turn injection

發知 英明; 原田 寛之; 高柳 智弘

Proceedings of 10th International Particle Accelerator Conference (IPAC '19) (Internet), p.2009 - 2012, 2019/06

In the J-PARC RCS, we investigated the influences of high-order field components inherent in four sets of injection bump magnets (dipole magnets) on the circulating beam during multi-turn injection. Ideally, the injection bump fields including the high-order field components are cancelled out with each other through the integration over the four injection bump magnets. But, in the RCS, such a field compensation is incomplete owing to the effects of magnetic interferences and feed-down fields. The residual high-order field components, not cancelled out, have a significant influence on the circulating beam via the excitation of high-order random betatron resonance. In this paper, we discuss the detailed mechanism of emittance growth and beam loss caused by the high-order field components of the injection bump magnets including their correction scenario, on the basis of numerical simulation and experimental results.

論文

Dynamic variation of chromaticity for beam instability mitigation in the 3-GeV RCS of J-PARC

Saha, P. K.; 發知 英明; 菖蒲田 義博; 原田 寛之; 田村 文彦; 渡辺 泰広; 高柳 智弘

Proceedings of 10th International Particle Accelerator Conference (IPAC '19) (Internet), p.171 - 173, 2019/06

In order to mitigate beam instability in the RCS caused by the impedances of the extraction kicker magnets, an application of dynamic variation of the chromaticity has been studied. The beam instability, especially for a high intensity beam delivered to the MR is one of the main issues in the RCS because of maintaining a smaller beam emittance as compared to that for the MLF beam. In this research, such a beam instability has been successfully mitigated by introducing dynamic variation of the chromaticity by using bipolar Sextupole magnetic fields. The method includes a partial chromaticity correction at lower beam energy to reduce the chromatic tune spread required to minimize the beam loss and the beam emittance, while introducing an excess of chromaticity at higher beam energy to utilize larger chromatic tune spread to enhance the Landau damping for beam instability mitigation. The method has been established based on detail numerical simulations by using ORBIT code and the corresponding experimental studies. The method has already been successfully implemented for the RCS beam operation to the MR.

論文

J-PARC RCS; 入射バンプ電磁石に内在する非線形磁場成分が周回ビームに与える影響

發知 英明; 原田 寛之

Proceedings of 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.371 - 375, 2018/08

J-PARC 3GeV陽子シンクロトロン(RCS)では、4台のバンプ電磁石(2極電磁石)を用いてビーム入射を行っているが、それらは大口径であるがゆえに有意な非線形磁場成分を含む。この局所的に存在する非線形磁場成分は高次の非構造共鳴を通してビームに有意な影響をもたらす。本発表では、磁場測定で評価した非線形磁場成分を導入して行った数値シミュレーション結果やビーム試験結果を用いて、その非線形磁場成分が引き起こすエミッタンス増大やビーム損失の発生メカニズムを議論すると共に今後の補正シナリオを紹介する。

論文

J-PARC RCS; Effects of emittance exchange on injection painting

發知 英明; J-PARC RCS Beam Commissioning Group

Proceedings of 61st ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High-Intensity and High-Brightness Hadron Beams (HB 2018) (Internet), p.20 - 25, 2018/07

現在、J-PARC RCSのベータトロン振動数は2Qx-2Qy=0共鳴の近傍に設定されている。この共鳴は、ビーム自身が作る非線形な空間電場によって励起され、水平・鉛直間のエミッタンス交換を通して付加的な分布変動を引き起こす。そのため、この共鳴は、ペイント入射後のビームの分布形状に大きな影響を及ぼすことになる。数値シミュレーションと実験結果との詳細比較から、2Qx-2Qy=0共鳴がペイント範囲やペイント経路の取り方に依存して複数の異なった効果をペイント入射中に引き起こしていることを明らかにすることができた。本発表では、2Qx-2Qy=0共鳴によって生じる特徴的なビーム粒子の振る舞いを議論すると共に、その検討結果に基づいて行っているペイント入射の最適化に向けた取り組みを紹介する。

論文

ORBIT simulation, measurement and mitigation of transverse beam instability in the presence of strong space charge in the 3-GeV RCS of J-PARC

Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 發知 英明; 原田 寛之; 林 直樹; 田村 文彦

Proceedings of 9th International Particle Accelerator Conference (IPAC '18) (Internet), p.620 - 623, 2018/06

The transverse impedance of eight extraction pulse kicker magnets (KM) is extremely strong source of transverse beam instability in the 3-GeV RCS (Rapid Cycling Synchrotron) at J-PARC. To realize the designed 1 MW beam power, collective beam dynamics with including the space charge effect for the coupled bunch instabilities excited by the KM impedance and associated measures were studied by incorporating all realistic time-dependent machine parameters in the ORBIT 3-D particle tracking code. The simulation results were all reproduced by measurements and, as a consequence, an acceleration of 1 MW beam power has been successfully demonstrated. In order to maintain variation of the RCS parameters required for multi-user and stable operation, realistic measures for beam instability mitigation were proposed in this study and also been successfully implemented in reality.

論文

Pulse-by-pulse switching of operational parameters in J-PARC 3-GeV RCS

發知 英明; 渡辺 泰広; 原田 寛之; 岡部 晃大; Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 田村 文彦; 吉本 政弘

Proceedings of 9th International Particle Accelerator Conference (IPAC '18) (Internet), p.1041 - 1044, 2018/06

The J-PARC 3-GeV RCS (rapid cycling synchrotron) provides a high-power beam to both the MLF (materials and life science experimental facility) and the MR (main ring synchrotron) by switching the beam destination pulse by pulse. The beam properties required from the MLF and the MR are different; the MLF needs a wide-emittance beam with less charge density, while the MR requires a low-emittance beam with less beam halo. To meet such conflicting requirements while keeping beam loss within acceptable levels, the RCS has recently introduced a pulse-by-pulse switching of the operational parameters (injection painting emittance, chromaticity and betatron tune.) This paper reports such recent efforts toward the performance upgrade of the RCS including the successful beam tuning results for the parameter switching.

論文

Simulation, measurement, and mitigation of beam instability caused by the kicker impedance in the 3-GeV rapid cycling synchrotron at the Japan Proton Accelerator Research Complex

Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 發知 英明; 原田 寛之; 林 直樹; 金正 倫計; 田村 文彦; 谷 教夫; 山本 昌亘; 渡辺 泰広; et al.

Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 21(2), p.024203_1 - 024203_20, 2018/02

 被引用回数:5 パーセンタイル:31.39(Physics, Nuclear)

The transverse impedance of the extraction kicker magnets in the 3-GeV RCS of J-PARC is a strong beam instability source and it is one of the significant issue to realize 1 MW beam power as practical measures are yet to be implemented to reduce the impedance. In the present research realistic simulation by updating the simulation code to cope with all time dependent machine parameters were performed in order to study the detail of beam instability nature and to determine realistic parameters for beam instability mitigation. The simulation results were well reproduced by the measurements, and as a consequence an acceleration to 1 MW beam power has also been successfully demonstrated. To further increase of the RCS beam power up to 1.5 MW, beam instability issues and corresponding measures have also been studied.

論文

J-PARC RCSにおけるビームコミッショニングの進捗報告; 大強度・低エミッタンスビームの実現へ向けた取り組み

發知 英明; 原田 寛之; 加藤 新一; 岡部 晃大; Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 田村 文彦; 谷 教夫; 渡辺 泰広; 吉本 政弘

Proceedings of 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.95 - 99, 2017/12

この一年、J-PARC RCSでは、大強度かつ低エミッタンスのビームを実現するためのビーム調整を精力的に展開してきた。RCSの動作点は、2Qx-2Qy=0共鳴の近傍に設定されている。この共鳴はエミッタンス交換を引き起こすため、ビームの電荷密度分布を大きく変調してしまう。RCSでは、ペイント入射と呼ばれる手法でビーム粒子の分布をコントロールして入射中のエミッタンス増大の抑制を図っているが、エミッタンス交換の影響を考慮してその手法を最適化した結果、電荷密度分布の一様化に成功し、入射中のエミッタンス増大を最小化することができた。本発表では、ペイント入射中の特徴的なビーム粒子の挙動やエミッタンス増大の発生機構を議論すると共に、エミッタンス低減のために行った一連の取り組みを紹介する。

論文

J-PARC 3GeVシンクロトロンの新しい入射システムの設計

山本 風海; 神谷 潤一郎; Saha, P. K.; 高柳 智弘; 吉本 政弘; 發知 英明; 原田 寛之; 竹田 修*; 三木 信晴*

Proceedings of 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.374 - 378, 2017/12

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)は、最大1MWの大強度陽子ビームを物質生命科学実験施設および主リングシンクロトロンに供給するために設計され、運転を行っている。現在のところ、RCSでは設計値の半分である500kWの出力での連続運転に成功しているが、今後さらにビーム出力を向上し、安定な運転を達成するためには、入射点付近の残留放射能による被ばくへの対策が重要となってくる。これまでのビーム試験やシミュレーション、残留線量の測定結果等から、入射点周辺の残留放射能は、入射で使用する荷電変換用カーボンフォイルに入射及び周回ビームが当たった際に発生する二次粒子(散乱陽子や中性子)が原因であることがわかった。現状では、RCSの入射にはフォイルが必須であり、これらの二次粒子を完全になくすことはできない。そこで、これら二次粒子によって放射化された機器の周辺に遮蔽体を置けるように、より大きなスペースが確保できる新しい入射システムの検討を開始した。予備検討の結果、機器配置は成立するが、入射用バンプ電磁石磁場が作る渦電流による発熱が問題となることがわかり、その対策の検討を進めることとなった。

論文

Beam-based compensation of extracted-beam displacement caused by field ringing of pulsed kicker magnets in the 3 GeV rapid cycling synchrotron of the Japan Proton Accelerator Research Complex

原田 寛之; Saha, P. K.; 田村 文彦; 明午 伸一郎; 發知 英明; 林 直樹; 金正 倫計; 長谷川 和男

Progress of Theoretical and Experimental Physics (Internet), 2017(9), p.093G01_1 - 093G01_16, 2017/09

AA2017-0286.pdf:4.64MB

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Physics, Multidisciplinary)

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)は、設計出力1MWの大強度陽子加速器である。このRCSで3GeVまで加速された陽子ビームは、リング内の8台のパルスキッカー電磁石で取り出しラインへ導き、物質生命科学実験施設や後段の加速器へ供給されている。しかしながら、この電磁石の電磁回路的なリンギングにより時間的な磁場変調を生じており、取り出しビームが大きく変動していた。この変動は、中性子源標的の故障リスクの増大や後段加速器のビーム損失の増大を生じ、大きな課題である。特別な短パルスビームと各電磁石のタイミングスキャンを行い、取り出しビームの位置変動を測定することで、この磁場変調を実測し把握した。それを用いて各電磁石の磁場変調を抑制する最適なタイミングを求め、適用することで装置の改造を行うことなく要求以上の精度のビーム取り出しを実現した。さらにタイミングのずれを自動で測定し補正するシステムを導入し、安定化も実現した。この論文では、手法や成果を報告する。

論文

Achievement of a low-loss 1-MW beam operation in the 3-GeV rapid cycling synchrotron of the Japan Proton Accelerator Research Complex

發知 英明; 原田 寛之; 林 直樹; 加藤 新一; 金正 倫計; 岡部 晃大; Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 田村 文彦; 谷 教夫; et al.

Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 20(6), p.060402_1 - 060402_25, 2017/06

 被引用回数:14 パーセンタイル:11.71(Physics, Nuclear)

RCSは、1MWのビーム出力を目指す世界最高クラスの大強度陽子加速器である。こうした加速器では、ビーム損失により生じる機器の放射化がビーム出力を制限する最大の要因となる。ビーム損失の原因(誤差磁場、空間電荷効果、像電荷効果等)は多様で、複数の効果が絡み合った複雑な機構でビーム損失が生じるため、その解決を果たすには、高度なビームの運動学的研究が必要となる。RCSでは、実際のビーム試験と共に、計算機上での数値シミュレーションを精力的に行ってきた。実験と計算の一致は良好で、観測されたビーム損失の発生機構の解明、また、その解決策を議論するうえで、数値シミュレーションが重大な役割を果たしている。ハードウェア系の改良と共に、こうしたビーム試験と数値シミュレーションを反復的に行うアプローチにより、RCSでは、10$$^{-3}$$という極めて少ないビーム損失で1MW相当のビーム加速を達成したところである。本論文では、RCSのビーム増強過程で顕在化したビーム損失の発生機構やその低減に向けた取り組みなど、大強度加速器におけるビーム物理に関する話題を中心に、RCSビームコミッショニングにおけるここ数年の成果を時系列的に紹介する。

論文

Realizing a high-intensity low-emittance beam in the J-PARC 3-GeV RCS

發知 英明; 原田 寛之; 加藤 新一; 岡部 晃大; Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 田村 文彦; 谷 教夫; 渡辺 泰広; 吉本 政弘

Proceedings of 8th International Particle Accelerator Conference (IPAC '17) (Internet), p.2470 - 2473, 2017/06

この一年、J-PARC RCSでは、下流の施設から要求される大強度かつ低エミッタンスのビームを実現するためのビーム調整を精力的に展開してきた。2016年6月のビーム試験では、Correlated painting入射を導入し、かつ、そのペイント範囲を最適化することで、入射中のエミッタンス増大を最小化することに成功した。また、その後に行ったビーム試験では、加速過程のチューンやクロマティシティを動的に制御することで、加速前半で発生していたエミッタンス増大を低減させると共に、加速後半で発生したビーム不安定性を抑制することに成功した。こうした一連の取り組みにより、830kW相当のビーム強度で、そのビームエミッタンスの大幅な低減(40%低減)を実現した。本発表では、エミッタンス増大の発生メカニズムやその低減に向けた取り組みなど、RCSビームコミッショニングにおける最近の成果を報告する。

論文

Simulation studies of transverse beam instabilities and measures beyond 1 MW beam power in the 3-GeV RCS of J-PARC

Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 發知 英明

Proceedings of 8th International Particle Accelerator Conference (IPAC '17) (Internet), p.3750 - 3752, 2017/06

Transverse impedance of the extraction kicker magnets is a significant beam instability source in the 3-GeV RCS of J-PARC. Based on systematic simulations and experimental studies designed 1 MW beam power has been successfully accomplished in the RCS by using a proper choice on the betatron tunes and by reducing the degree of chromaticity correction. In order to ensure 1 MW beam power at the present MLF target even when RCS beam sharing to the MR is increased in the near future due to upgraded MR cycle as well as when a second target station is constructed at the MLF, a beam power of around 1.5 MW has to be realized in the RCS. However, the simulation shows that the present kicker impedance has to be reduced at least a half in order to stabilize the beam 1.5 MW beam power. A reduction of the kicker impedance is very essential in order to realize more than 1 MW beam power in the RCS.

論文

Coupled bunch instability and its cure at J-PARC RCS

菖蒲田 義博; Saha, P. K.; 發知 英明; 原田 寛之; 高柳 智弘; 田村 文彦; 谷 教夫; 富樫 智人; 外山 毅*; 渡辺 泰広; et al.

Proceedings of 8th International Particle Accelerator Conference (IPAC '17) (Internet), p.2946 - 2949, 2017/05

J-PARC RCSのような1MWの大強度のビームの生成を目指す加速器では、加速器の構成要素とビームは、電磁気的に相互作用(ビームの結合インピーダンス)をして、ビームが不安定になる。RCSでは、それがキッカーとの相互作用(キッカーインピーダンス)で起こることが明らかにされており、ビームを不安定にすることなく大強度のビームを達成する手法について研究がなされてきた。著者らは、最近、ビームのもつ空間電荷効果にはビームを安定化させる働きがあることを発見し、MLF行き用の横方向に大きい200$$pi$$mm.mradのエミッタンス のビームに対しては、1MWのビームを達成する手法を確立した。ところが、MR行き用の50$$pi$$mm.mradのエミッタンスの細いビームに関しては、この手法では、ビームを大強度化する上で限界がある。このレポートでは、このようなビームに対して、どのようにして大強度ビームを達成するか、その対策を議論する。また、現在のキッカーインピーダンス低減化対策の現状も報告する。

論文

New injection scheme of J-PARC rapid cycling synchrotron

山本 風海; 神谷 潤一郎; Saha, P. K.; 高柳 智弘; 吉本 政弘; 發知 英明; 原田 寛之; 竹田 修*; 三木 信晴*

Proceedings of 8th International Particle Accelerator Conference (IPAC '17) (Internet), p.579 - 581, 2017/05

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)は、1MWの大強度ビームを物質生命科学実験施設および主リングシンクロトロンに供給するために設計され、調整が進められている。現在の所、RCSでは設計値の半分である500kWでの連続運転に成功しているが、今後さらにビーム出力を向上するためには、入射点付近の残留放射能による被ばく対策が重要となってくる。これまでのビーム試験やシミュレーション、残留線量の測定結果等から、入射点周辺の残留放射能は入射で使用する荷電変換用カーボンフォイルに入射及び周回ビームが当たった際に発生する二次粒子(散乱陽子や中性子)が原因であることがわかった。現状では、RCSの入射にはフォイルが必須であり、これらの二次粒子を完全に無くすことはできない。そこで、これら二次粒子によって放射化された機器の周辺に遮蔽体を置けるように、より大きなスペースが確保できる新しい入射システムの検討を開始した。予備検討の結果、機器配置は成立するが、入射用バンプ電磁石磁場が作る渦電流による発熱が問題となることがわかったため、今後その対策を検討することとなった。

論文

Theoretical elucidation of space charge effects on the coupled-bunch instability at the 3 GeV Rapid Cycling Synchrotron at the Japan Proton Accelerator Research Complex

菖蒲田 義博; Chin, Y. H.*; Saha, P. K.; 發知 英明; 原田 寛之; 入江 吉郎*; 田村 文彦; 谷 教夫; 外山 毅*; 渡辺 泰広; et al.

Progress of Theoretical and Experimental Physics (Internet), 2017(1), p.013G01_1 - 013G01_39, 2017/01

AA2016-0375.pdf:3.07MB

 被引用回数:9 パーセンタイル:27.1(Physics, Multidisciplinary)

大強度のビームを加速すると、一般にビームは不安定になることが知られている。それは、周回中のビームと加速器の機器には電磁相互作用(ビームのインピーダンス)があるからである。ビームを不安定にならないようにするためには、ビームのインピーダンスが閾値を超えなければ良いことが分かっていて、それは、インピーダンスバジェットと呼ばれている。J-PARC 3GeVシンクロトロンは、キッカーというビームを蹴り出す装置がインピーダンスバジェットを破っていることが、建設初期の段階から明らかにされており、1MWビームの達成を阻害することが懸念されてきた。今回、ビームの構成粒子自身の電荷に由来する電磁相互作用(空間電荷効果)には、ビームを安定化させる効果があることを理論的に明らかにした。また、ビームのパラメータや加速器のパラメータを適切に選べば、J-PARC 3GeVシンクロトロンのような低エネルギーのマシーンでは、従来のインピーダンスバジェットを破ることは、1MWビームを達成する上で致命傷にはならないことを実験的にも実証した。

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