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論文

Charge generated in 6H-SiC n$$^{+}$$p diodes by MeV range heavy ions

大島 武; 岩本 直也; 小野田 忍; Wagner, G.*; 伊藤 久義; 河野 勝泰*

Surface & Coatings Technology, 206(5), p.864 - 868, 2011/11

 被引用回数:4 パーセンタイル:19.09(Materials Science, Coatings & Films)

炭化ケイ素(SiC)を用いた粒子検出器の開発を目的に、酸素(O),シリコン(Si),ニッケル(Ni),金(Au)イオンが六方晶(6H)SiC n$$^{+}$$pダイオードに入射したときに発生する電荷をイオンビーム誘起過渡電流(TIBIC)により評価した。ダイオードへの印加電圧と収集電荷量の関係を調べたところ、すべてのイオンで印加電圧の増加とともに電荷収集効率(CCE)が増加し、ある印加電圧以上ではCCE値は飽和することが見いだされたが、これは、印加電圧とダイオード中の空乏層(電界層)の関係で説明できる。一方、イオン種依存性を調べると、Ni, Auと原子番号の大きなイオンになるほど、CCEの値が小さくなることが観察された。KKモデルを用いてSiC中に発生する電荷を調べたところ、原子番号が大きくなるに従い、高濃度の電荷(電子-正孔対)が発生することが見積もられた。高濃度電荷プラズマ中ではオージェ再結合といった電子-正孔対の消滅が発生することから、NiやAuで観察されたCCEの低下は、高濃度電荷プラズマ中での再結合によると帰結できた。

論文

Transient response of charge collection by single ion strike in 4H-SiC MESFETs

小野田 忍; 岩本 直也; 小野 修一*; 片上 崇治*; 新井 学*; 河野 勝泰*; 大島 武

IEEE Transactions on Nuclear Science, 56(6), p.3218 - 3222, 2009/12

 被引用回数:18 パーセンタイル:74.84(Engineering, Electrical & Electronic)

4H-SiC Metal Semiconductor Field Effect Transistor(MESFET)に15MeVの酸素イオン1個が入射した際に発生する過渡電流の計測を行った。MESFETのゲート電極にイオンが1個入射したときに、ゲート電極からだけでなく、ドレイン電極及びソース電極からも過渡電流が観測された。ドレイン電極からの過渡電流は、ソース電極からの過渡電流と極性が逆で、大きさが同じであったが、これは電荷中性条件により解釈できる。ところが、過渡電流を積分して求めた収集電荷量は、イオンの直接電離により誘起された電荷量よりも数桁も大きいことがわかった。素子構造を考慮すると、寄生トランジスタのバイポーラ増幅効果により、電荷量が増大した可能性が示唆された。

論文

Comparative study of transient current induced in SiC p$$^{+}$$n and n$$^{+}$$p diodes by heavy ion micro beams

大島 武; 岩本 直也; 小野田 忍; 神谷 富裕; 河野 勝泰*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 267(12-13), p.2189 - 2192, 2009/06

 被引用回数:9 パーセンタイル:53.56(Instruments & Instrumentation)

炭化ケイ素(SiC)半導体を用いた荷電粒子検出器開発の一環として、六方晶(6H)SiC基板上にp$$^{+}$$n又はn$$^{+}$$pダイオードを作製し、重イオン入射によるイオン誘起過渡電流評価を行った。9MeV酸素マイクロビームを用いた過渡電流評価の結果、両者とも電荷収集効率が85%であり、同程度の能力を示すことが判明した。このCCEを算出する際、金属電極、p$$^{+}$$又はn$$^{+}$$層や測定系での電荷損失を考慮していないので、これらを考慮するとほぼすべての電荷が収集されたこととなり、SiCは粒子検出器として優れた特性を示すと帰結できる。また、金やニッケルといった重イオンでは、オージェ再結合による電荷収集効率の低下が観測され、SiC検出器を重イオン用として応用する際にはオージェ再結合によるCCEの低下を考慮する必要があることが判明した。

論文

Degradation modeling of InGaP/GaAs/Ge triple-junction solar cells irradiated with various-energy protons

佐藤 真一郎; 宮本 晴基*; 今泉 充*; 島崎 一紀*; 森岡 千晴*; 河野 勝泰*; 大島 武

Solar Energy Materials and Solar Cells, 93(6-7), p.768 - 773, 2009/06

 被引用回数:71 パーセンタイル:90.69(Energy & Fuels)

宇宙用のInGaP/GaAs/Ge三接合太陽電池の陽子線照射による劣化を1次元光デバイスシミュレータPC1Dを用いてモデル化した。30keV, 150keV, 3MeV, 10MeVの陽子線を照射した三接合太陽電池の外部量子効率から短絡電流及び開放電圧の劣化量を見積もるとともに、少数キャリア拡散長の損傷係数及びベース層キャリア濃度のキャリア枯渇係数を求めた。この計算によって求められた短絡電流及び開放電圧の劣化量は実験結果を5%以内の精度で再現したことから、今回提案した放射線劣化モデリングが三接合太陽電池の寿命予測に有効であることが証明できた。

論文

Reduction of effective carrier density and charge collection efficiency in SiC devices due to radiations

小野田 忍; 岩本 直也; 平尾 敏雄; 河野 勝泰*; 児島 一聡*; 大島 武

AIP Conference Proceedings 1099, p.1010 - 1013, 2009/03

耐放射線性の粒子検出器としての利用が期待される6H-SiCの接合型半導体ダイオードに、$$gamma$$線,1MeV電子線,65MeV陽子線を照射することで損傷を導入し、粒子検出器の性能を示す指標である電荷収集効率(CCE: Charge Collection Efficiency)の低下を評価した。また、CCEと密接な関係にある実効キャリア濃度に関しての評価を行った。その結果、照射量が増加するに従い、CCE及び実効キャリア濃度が減少していくことがわかった。さらに、今まで報告例のあまりないSiCの損傷係数を、CCE及び実効キャリア濃度の双方に対して算出した。その結果、これらの損傷係数は非イオン化エネルギー損失(NIEL: Non-Ionizing Energy Loss)を指標としたスケーリングによって表現できることを見いだした。

論文

重イオンマイクロビームを用いた半導体の拡散長評価

小野田 忍; 岩本 直也; 平尾 敏雄; 大島 武; 河野 勝泰*

JAEA-Conf 2008-012, p.146 - 149, 2009/03

半導体素子は放射線によって損傷を受けるため、放射線照射による半導体の物性値劣化を調べることは重要である。本研究では原子力研究開発機構TIARA施設のタンデム加速器及び重イオンマイクロビームシステムを利用し、半導体素子の特性劣化を考える際に最も重要な物性値の一つであるキャリアの拡散長を評価した。放射線損傷を導入する目的で、炭化珪素(SiC)ダイオードに1MeVの電子線照射を行い、照射前後の拡散長をイオンビーム誘起過渡電流(TIBIC; Transient Ion Beam Induced Current)により評価した。電子線照射前の拡散長は2.5$$mu$$mであったが、1$$times$$10$$^{15}$$cm$$^{-2}$$の電子線照射後の拡散長は0.6$$mu$$mまで低下した。また、5$$times$$10$$^{15}$$cm$$^{-2}$$の電子線照射後では、拡散長は評価することができないほど小さくなった。このような拡散長の低下は、電子線照射により再結合中心となる欠陥の密度が増大したためと考えられる。

論文

Transient response to high energy heavy ions in 6H-SiC n$$^+$$p diodes

小野田 忍; 大島 武; 平尾 敏雄; 菱木 繁臣; 岩本 直也; 児島 一聡*; 河野 勝泰*

Materials Science Forum, 600-603, p.1039 - 1042, 2009/00

炭化ケイ素(SiC)半導体のイオン照射効果を明らかにするため、15MeV-O及び260MeV-Neマイクロビームを使用して六方晶(6H)SiC n$$^+$$pダイオード中で発生する過渡電流の電圧依存性を調べた。双方のイオンについて、印加電圧の増加とともに、ピーク値が増加し、立上り及び立下り時間が減少する結果を得た。ピーク値の増加と立上り及び立下り時間の減少が補償することから、電荷収集効率(CCE:Charge Collection Efficiency)の電圧依存性はないことがわかった。15MeV-Oと比較して260MeV-NeによるCCEは非常に小さいことがわかった。この違いは線エネルギー付与(LET:Linear Energy Transfar)及び飛程の違いに由来するものと考えられる。15MeV-OのLETが7.29MeVcm$$^2$$/mgであるのに対し、260MeV-NeのLETが2.95MeVcm$$^2$$/mgと低いため、CCEが小さくなったと考えられる。さらに、15MeV-Oの飛程が空乏層よりも短いのに対し、260MeV-Neの飛程は空乏層よりも長い。そのため、260MeV-Neでは、入射エネルギーの一部しかダイオード中に付与されず、CCEが小さくなる。このように、過渡電流及びCCEのエネルギー依存性をマイクロビーム照射実験から明らかにした。

論文

Degradation of charge collection efficiency for 6H-SiC diodes by electron irradiation

岩本 直也; 小野田 忍; 菱木 繁臣; 大島 武; 村上 允*; 中野 逸夫*; 河野 勝泰*

Materials Science Forum, 600-603(Part 2), p.1043 - 1046, 2009/00

炭化ケイ素(SiC)半導体を用いた耐放射線性の粒子検出器の開発の一環として、SiCエピ膜上に作製したn$$^{+}$$pダイオードの電荷収集効率(CCE)の電子線照射による低下を調べた。室温にてエネルギー1MeVの電子線を最大6$$times$$10$$^{16}$$/cm$$^{2}$$照射した。CCEの評価は酸素15MeVマイクロビームを用いたイオン誘起過渡電流(TIBIC)評価により行った。評価の結果、電子線未照射試料では93%という非常に高いCCEを観測し、1$$times$$10$$^{15}$$/cm$$^{2}$$の電子線照射後もCCEの低下は観測されなかった。しかし、それ以上の線量ではCCEの低下が観測され、5$$times$$10$$^{15}$$/cm$$^{2}$$の電子線照射によりCCEは約65%となった。ダイオードへ印加する逆方向電圧とCCEの関係を解析することでダイオード中の少数キャリア(電子)の拡散長を見積もったところ、未照射では2.5$$mu$$mであった拡散長が電子線照射により徐々に低下し、その結果としてCCEが低下することが判明した。

論文

Effects of fabrication process on the electrical characteristics of n-channel MOSFETs irradiated with gamma-rays

菱木 繁臣; 岩本 直也; 大島 武; 伊藤 久義; 児島 一聡*; 河野 勝泰*

Materials Science Forum, 600-603, p.707 - 710, 2009/00

炭化ケイ素(SiC)半導体は優れた耐放射線性を有するため高い線量下での動作が期待できる。これまでn型六方晶(6H)SiCを用いたnチャンネル金属-酸化膜-半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)の$$gamma$$線照射による特性変化がゲート酸化膜作製後の熱処理により異なることを明らかにしている。このようにMOSFETの放射線耐性は作製手法によって影響されるため、素子作製プロセスと特性変化の関係を明らかにすることが重要となる。今回、異なる注入後熱処理により基板表面の荒さ(RMS)が0.67nmと1.36nmとなったnチャンネル6H-SiC MOSFETを作製し、$$gamma$$線照射による電気特性の変化を調べた。その結果、基板表面の荒れが大きなMOSFETは1MGy程度でチャンネル移動度が減少するのに対し、荒れの小さなものは3MGyまでチャンネル移動度の減少がなく、耐放射線性に優れていることが明らかとなった。

論文

Charge collection properties of 6H-SiC diodes by wide variety of charged particles up to several hundreds MeV

小野田 忍; 岩本 直也; 村上 允; 大島 武; 平尾 敏雄; 児島 一聡*; 河野 勝泰*; 中野 逸夫*

Materials Science Forum, 615-617, p.861 - 864, 2009/00

耐放射線性の粒子検出器としての利用が期待できる炭化珪素(SiC)ダイオードの性能を示すため、さまざまな荷電粒子を照射し、電荷収集効率(CCE; Charge Collection Efficiency)を評価した。荷電粒子として、RIから放出される$$alpha$$粒子,$$beta$$線及び、加速器からの重荷電粒子を利用した。低エネルギー(数MeV)の軽粒子及び高エネルギー(数百MeV)の重粒子の飛程が数十$$mu$$mあることから、感受層であるエピタキシャル層の厚さが77$$mu$$m及び96$$mu$$mのダイオードを作製し、電荷収集量を評価した。実験の結果、従来報告例のある5.5MeVの$$alpha$$粒子だけでなく、56MeVのN(窒素),75MeVのNe(ネオン),150MeVのAr(アルゴン),322MeVのKr(クリプトン)イオンのエネルギースペクトルを測定することができた。

論文

Transient currents induced in 6H-SiC MOS capacitors by oxygen ion incidence

岩本 直也; 小野田 忍; 大島 武; 児島 一聡*; 河野 勝泰*

Materials Science Forum, 615-617, p.517 - 520, 2009/00

炭化ケイ素(SiC)デバイスのイオン照射効果の研究の一環として、15MeV酸素イオン入射によりSiC金属-酸化膜-半導体(MOS)キャパシタのゲート酸化膜を通して誘起される過渡電流を評価した。p型エピタキシャル六方晶(6H)SiC上に1180$$^{circ}$$Cの熱酸化により35nm厚の酸化膜を形成し、アルミニウムを熱蒸着することでMOSキャパシタを作製した。15MeV酸素イオンマイクロビームを用いたシングルイオンヒット、イオンビーム誘起過渡電流(TIBIC)計測により過渡電流(SET)シグナルを取得した。その結果、SETシグナルのピーク値が印加する逆方向電圧の増加とともに増加することが明らかとなった。得られた結果をシリコンMOSキャパシタでの研究結果と比較することで、SiC MOSキャパシタのゲート酸化膜を通して誘起される過渡電流も変位電流であると帰結できた。また、SETシグナルに及ぼす$$gamma$$線照射の影響を調べるため130kGyの線量までの照射を行った。容量-電圧特性に関しては5V以上のシフトが見られたが、この照射範囲ではSETシグナルには変化は見られなかった。

論文

NIEL analysis of charge collection efficiency in silicon carbide diodes damaged by gamma-rays, electrons and protons

大島 武; 小野田 忍; 岩本 直也; 児島 一聡*; 河野 勝泰*

Proceedings of the 8th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Applications (RASEDA-8), p.175 - 178, 2008/12

炭化ケイ素(SiC)半導体を用いた粒子検出器開発の一環として、六方晶(6H)SiCエピタキシャル基板上に作製したpnダイオードの電荷収集効率(CCE)をイオンビーム誘起過渡電流(TIBIC)を用いて評価した。特に、本研究では、作製したSiC pnダイオードに$$gamma$$線,電子線(1MeV)又は陽子線(65MeV)を照射することで結晶損傷を導入し、CCEに与える影響を調べた。その結果、いずれの放射線の照射においても照射量の増加とともにCCEが低下することが判明し、容量-電圧測定の結果から、その低下の一要因がエピタキシャル基板のキャリア濃度の減少によることが明らかとなった。また、キャリア濃度及びCCEの低下とそれぞれの放射線の線量率の関係から、キャリア濃度枯渇係数(R$$_{C}$$)及び損傷係数(K)を見積もり、非イオン化エネルギー損失(NIEL)との関係を調べた。これまで報告されているSiやGaAsといった他の半導体との結果も含めて比較したところ、R$$_{C}$$及びKともに、NIELを用いることで線質によらない一つの関係が見いだされ、NIELがCCEの低下を記述する良い指標であると帰結できた。

論文

Charge collection from SiC MOS capacitors irradiated with oxygen ion

岩本 直也; 小野田 忍; 大島 武; 児島 一聡*; 河野 勝泰*

Proceedings of the 8th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Applications (RASEDA-8), p.191 - 194, 2008/12

炭化ケイ素(Silicon Carbide: SiC)を基板材料として作製した金属-酸化膜-半導体(Metal-Oxide-Semiconductor: MOS)キャパシタにおけるシングルイベント効果(Single Event Effect: SEE)について研究を行った。SiC MOSキャパシタにMeV級の酸素イオンを入射し、発生する過渡電流を測定した。さらに過渡電流から電荷収集量を評価した。電荷収集量は、入射イオンが15MeVのとき最大値を示した。これは、ドリフト-拡散モデルと呼ばれるダイオードにおける電荷収集モデルとも一致する結果であった。SiC上のMOSキャパシタにおいても、同モデルを適用することで電荷収集量の評価が可能であることが明らかになった。

論文

NIEL analysis of radiation degradation parameters derived from quantum efficiency of triple-junction space solar cell

佐藤 真一郎; 宮本 晴基; 今泉 充*; 島崎 一紀*; 森岡 千晴*; 河野 勝泰*; 大島 武

Proceedings of 33rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC-33) (CD-ROM), 5 Pages, 2008/00

InGaP/GaAs/Ge三接合太陽電池の放射線劣化モデル構築のために、50keV$$sim$$10MeVの幅広いエネルギー範囲のプロトンを照射することで劣化させた三接合太陽電池の外部量子効率のシミュレーションを、1次元光デバイスシミュレータPC1Dを用いて行った。その結果、短絡電流及び開放電圧を実験結果と比較して5%以内の精度で再現することができ、このモデリングの妥当性を確認することができた。さらに、各サブセルにおけるベース層の多数キャリア濃度枯渇係数と少数キャリア拡散長の損傷係数を見積り、これらがNIELを指標として表現できることを見いだした。

論文

Decrease of charge collection due to displacement damage by $$gamma$$ rays in a 6H-SiC diode

小野田 忍; 大島 武; 平尾 敏雄; 三島 健太; 菱木 繁臣; 岩本 直也; 児島 一聡*; 河野 勝泰*

IEEE Transactions on Nuclear Science, 54(6), p.1953 - 1960, 2007/12

 被引用回数:18 パーセンタイル:76.94(Engineering, Electrical & Electronic)

In order to investigate the influence of displacement damage or change collection in Sic diode, the charge generated in 6H-SiC n$$^{+}$$p diodes by 15 MeV O ions was measured using the TIBIC (Transient Ion Beam Induced Current) system before and after $$gamma$$-ray irradiations. The measured CCE (Collected Charge Efficiency) and the diffusion length reduce with increasing the equivalent displacement damage dose which is estimated using Non Ionizing Energy Loss (NIEL). It was found that the degradation of the diffusion length for p-type 6H-SiC is proportional to the square of the displacement damage dose, and this relationship is the same as that reported for n-type SiC and p-type GaAs.

論文

Impact of Auger recombination on charge collection of a 6H-SiC diode by heavy ions

小野田 忍; 大島 武; 平尾 敏雄; 三島 健太; 菱木 繁臣; 岩本 直也; 河野 勝泰*

IEEE Transactions on Nuclear Science, 54(6), p.2706 - 2713, 2007/12

 被引用回数:16 パーセンタイル:72.08(Engineering, Electrical & Electronic)

高エネルギー物理学における粒子検出器開発の観点から軽イオン等が半導体素子に入射した時の電荷収集効率(CCE:Charge Collection Efficiency)に関する研究が盛んに行われている中、われわれは、材料開発で使用する加速器用の粒子検出器、さらには宇宙でのシングルイベント効果の理解にも重要となる重イオンが半導体素子に入射した時のCCEに関する研究を進めた。その結果、既存の理論モデル(Gunnモデル)によって重イオンが半導体素子に誘起するCCEの電圧依存性を説明できないことがわかった。本研究では、重イオンにより誘起された電子及び正孔がオージェ過程を経て再結合する可能性を半導体デバイスシミュレータ(TCAD:Technology Computer Aided Design)により検討した。その結果、オージェ再結合によりCCEが低下することを明らかにし、その係数がおよそ6$$times$$10$$^{-30}$$cm$$^6$$/sであることを示した。

論文

Degradation modeling of InGaP/GaAs/Ge triple junction solar cells irradiated with various energy protons

佐藤 真一郎; 宮本 晴基; 今泉 充*; 島崎 一紀*; 森岡 千晴*; 河野 勝泰*; 大島 武

Proceedings of 17th International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC-17) (CD-ROM), p.502 - 503, 2007/12

1次元光デバイスシミュレータ(PC1D)を用いて宇宙用InGaP/GaAs/Ge三接合太陽電池の寿命予測技術開発のため、放射線による電気特性劣化のモデリングを行った。30keV, 150keV, 3MeV及び10MeVの陽子線照射によって劣化した三接合太陽電池の量子効率をフィッティングし、短絡電流と開放電圧をシミュレートした。また、各サブセルにおいて少数キャリア拡散長の損傷係数及びベース層のキャリア除去係数を見積もった。その結果、シミュレーションによって得られた短絡電流と開放電圧は実験値と良い一致を示した。これらの結果より、本劣化モデリングの有効性が実証された。

論文

Effects of irradiation temperature on degradation of electrical characteristics of InGaP solar cells

宮本 晴基; 佐藤 真一郎; 大島 武; 森岡 千晴*; 今泉 充*; 河野 勝泰*

Proceedings of 17th International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC-17) (CD-ROM), p.961 - 962, 2007/12

室温又は低温環境下で、InGaP及びSi太陽電池に10MeV陽子線を1$$times$$10$$^{13}$$cm$$^{-2}$$まで照射し、その電気特性の劣化を調べたところ、低温で照射した場合の開放電圧は、室温で照射した場合よりも高い保存率を示し、開放電圧についてはその逆の結果となった。また、照射後の開放電圧の温度係数は照射前に比べて大きくなったが、短絡電流の温度係数については照射前後で変化がなかった。1次元光デバイスシミュレータ(PC1D)を用いて解析を行ったところ、これら電気特性の劣化は少数キャリア拡散長の減少が主たる原因であることが判明した。

論文

Reconsideration of electron irradiation test methods for the evaluation of space solar cells

大島 武; 佐藤 真一郎; 宮本 晴基; 今泉 充*; 花屋 博秋; 河野 勝泰*

Proceedings of 17th International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC-17) (CD-ROM), p.955 - 956, 2007/12

人工衛星で使用される太陽電池の放射線による特性劣化を正確に把握することは、人工衛星の寿命予測には不可欠である。本研究では、そのために地上で行う評価試験(電子線照射試験)に関して、評価の標準となっている従来法及び原子力機構が独自に開発した試験法を比較した。従来法では、水冷板上に三接合(3J)及びシリコン(Si)太陽電池をセットして大気中で1MeV電子線を照射し、照射後、太陽電池を取り出し電気特性を評価した。原子力機構独自法では、模擬太陽光源が組み込まれた真空照射容器内に3J及びSi太陽電池をセットして、1MeV電子線照射中に、同時に発電特性を取得した。両者の結果を比較したところ、差異は見られず原子力機構で開発した試験法の妥当性が実証された。また、本研究では従来法においてその検討が十分でない、大気による電子線エネルギーの減少が太陽電池特性劣化に及ぼす影響を検討し、50cmまでの空気層によるエネルギー減衰では太陽電池の特性劣化に影響はないことも併せて確認した。

論文

Decrease in ion beam induced charge of 6H-SiC diodes

小野田 忍; 岩本 直也; 大島 武; 平尾 敏雄; 河野 勝泰*

Proceedings of the 26th Symposium on Materials Science and Engineering, Research Center of Ion Beam Technology Hosei University, p.35 - 40, 2007/12

高エネルギー物理学における粒子検出器開発の観点から、軽イオン等が半導体素子に入射した時の電荷収集効率(Charge Collection Efficiency; CCE)に関する研究が盛んに行われている。これに対してわれわれは、材料開発で使用する加速器用の粒子検出器、さらには宇宙でのシングルイベント効果の理解にも重要となる重イオンが半導体素子に入射したときのCCEに関する研究を進めてきた。その結果、入射するイオンビームの原子番号が大きくなるに従い、6H-SiCダイオードに誘起される電荷量、すなわちCCEが低下する現象が観測された。本研究では、重イオンにより誘起された電子及び正孔がオージェ過程を経て再結合する可能性を半導体デバイスシミュレータ(Technology Computer Aided Design; TCAD)により検討した。その結果、オージェ係数が3$$times$$10$$^{-29}$$cm$$^{6}$$/sのとき、実験値と計算値がよく一致した。以上のことから、SiCにおいてCCEが低下する原因の一つに、従来のSiでは考慮する必要のなかった高密度キャリアによるオージェ再結合が挙げられることが明らかとなった。

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