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論文

Development of radiation resistant monitoring system in light water reactor

武内 伴照; 大塚 紀彰; 中野 寛子; 飯田 竜也*; 小沢 治*; 柴垣 太郎*; 駒野目 裕久*; 土谷 邦彦

QST-M-16; QST Takasaki Annual Report 2017, P. 67, 2019/03

福島第一原子力発電所事故の教訓から、過酷事故が発生した軽水炉の状況下でも使用可能な監視システムの技術開発を実施している。本システムの開発の課題として、耐放射線性カメラや可視光無線伝送システムで使用する撮像素子や電源IC等の耐放射線性が挙げられる。本研究では、耐放射線性カメラ撮像素子に対する$$gamma$$線の積算線量の影響を調べるため、異なる積算線量時においてフォトゲート(PG)駆動電圧に対する取得画像輝度のダイナミックレンジの違いを調べた。また、カメラ及び可視光無線伝送システムにおいて共通して使用する電源ICについて、$$gamma$$線環境下における出力電圧をモニタリングし、積算線量に対する変化を調べた。撮像素子は、PG駆動電圧調整ユニットに接続した簡易的なカメラシステムを照射室内に設置し、出力画像をモニタで観察した。その結果、ダイナミックレンジを最大とするPG駆動電圧の最適値は積算線量に影響することが分かり、PG駆動電圧の変更によって実質的な耐放射線性を向上させたカメラシステムの可能性を見出した。一方、電源ICは、入力電圧を発生する定電圧電源を接続し、出力電圧とともに、絶縁破壊による短絡発生の有無を調べるため、熱電対で測定したIC表面温度データをデータロガーで収集した。その結果、出力電圧は比較的低い積算線量で一時的に減少した後に復帰し、その後はほぼ安定することが分かり、あらかじめ照射したICを用いること等により放射線環境下においても安定した出力を得る見通しを見出した。

論文

Development of radiation resistant monitoring camera system

武内 伴照; 大塚 紀彰; 渡辺 恭志*; 田中 茂雄*; 小沢 治*; 駒野目 裕久*; 上野 俊二*; 土谷 邦彦

Proceedings of 2017 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC 2017) (Internet), 3 Pages, 2018/11

福島第一原子力発電所事故の教訓から、過酷事故時の環境でも原子炉建屋内の監視が可能な耐放射線性カメラシステムの開発を開始した。本研究は、カメラを構成する部品の要素技術開発を行い、カメラシステムの試作・性能を評価した。まず、要素技術開発として放射線環境下において100Gy未満で使用不能となるイメージセンサの劣化主因が暗電流増加であることを明らかにし、トランジスタの数を4つから3つに減らすとともに光電変換構造としてフォトゲート型を採用することで暗電流の軽減を図った。その結果、イメージセンサの耐放射線性は200kGy以上にまで向上した。また、光学系については、石英とフッ化カルシウムを用いた耐放射線プリズムとズームレンズにすることにより、1MGy照射後においても十分な性能を有することを示した。一方、その他の電子部品については、100kGy未満で故障するものもあり、一部に遮蔽構造を採用した。これらの結果を踏まえ、開発したカメラシステムが900kGy以上の照射線量でも良好な画像を取得できることを明らかにした。

報告書

光学部品の$$gamma$$線照射劣化挙動(受託研究)

武内 伴照; 柴田 裕司; 花川 裕規; 上原 聡明*; 上野 俊二*; 土谷 邦彦; 熊原 肇*; 柴垣 太郎*; 駒野目 裕久*

JAEA-Technology 2017-026, 26 Pages, 2018/02

JAEA-Technology-2017-026.pdf:4.0MB

原子力施設でシビアアクシデントが発生した際に、プラント状態を監視し、緊急時対応を円滑に実施するためには、信頼性の高い伝送技術が必要である。本研究では、水中で伝送可能な可視光無線伝送システムの構築を目指して、LEDやフォトダイオード等の光学部品に対して10$$^{6}$$Gyまでの$$gamma$$線の照射による影響を調べた。その結果、LEDは全光束が減少するとともに樹脂レンズ部が着色した。フォトダイオードの電流-電圧特性にはほとんど変化は無かった。フォトダイオードは、受光感度が減少するとともに窓材の樹脂が着色したが、暗電流は伝送に悪影響を与えるほどの大きさにはならなかった。これらの結果から、両素子を無線伝送システムに適用する場合に考慮すべき特性劣化の主因は、半導体部分の劣化ではなく、樹脂の着色によって発光及び受光量が減少することによるものであることが示唆された。また、発光・受光回路部を環境から隔離するための窓材や、外乱ノイズ光を軽減するための光学フィルタとして、各種ガラスについても$$gamma$$線照射による透過率の減少を評価し、伝送システムの構築に向けた基礎データを取得した。

論文

原子炉燃料プールにおける2次元画像パターンによる情報伝送

八束 純司*; 柴垣 太郎*; 大塚 紀彰; 武内 伴照; 土谷 邦彦; 駒野目 裕久*

ビジョン技術の実利用ワークショップ(ViEW 2017)講演要旨集(USB Flash Drive), 6 Pages, 2017/12

原子炉建屋内にある使用済燃料プールを監視するための無線伝送システムの開発を行っている。本システムは、光信号を利用して水温等の測定データを水中で無線により送信するものである。これまで、光源をLEDアレイにし、2次元コードとすることで、多くの情報を高精度で送信できることを可能にした。しかしながら、実際に使用する環境では、受信機は水中の外側に設置するため、水中にあるLEDアレイからの発光パターンは水面状態に大きく影響され、高精度の測定データの送信が困難であった。本研究では、ゆらぎ等が発生している水面状態においても、より高精度の測定データを送信するための画像処理・解析システムを開発した。本開発では、受信機で取得した発光パターンより閾値以上の輝度値を求め、その分布及び輝度重心を算出し、この輝度重心を発光中のLEDと仮定することにより、LEDアレイの発光パターンとして読み取る方式とした。この結果、ゆらぎを発生させた水面状態における発光パターンの認識率は、本システムを使用していない認識率の約15%に対して、システム使用時には認識率は約90%となり、水面状態の影響による伝送精度の向上に資することができた。

論文

A New radiation hardened CMOS image sensor for nuclear plant

渡辺 恭志*; 武内 伴照; 小沢 治*; 駒野目 裕久*; 赤堀 知行*; 土谷 邦彦

Proceedings of 2017 International Image Sensor Workshop (IISW 2017) (Internet), p.206 - 209, 2017/05

東京電力福島第一原子力発電所事故の経験や教訓を踏まえ、プラント状態の情報把握能力の向上のため、耐放射線性カメラの開発に取り組んだ。放射線環境下におけるカメラ画像劣化の主因である撮像素子内の暗電流を抑制するため、撮像素子の耐放射線性向上に取り組んだ。まず、既存の撮像素子としてフォトダイオード(PD)型、埋め込みPD型及びフィールドプレート付PD(FP-PD)型に対して$$gamma$$線照射試験を行ったところ、照射後の暗電流はFP-PD型が最も小さく、耐放射線性に優れることが分かった。これに対し、さらなる耐放射線性の向上を目指し、暗電流源の一つである照射中における絶縁酸化膜中の正孔の発生を軽減し得ると考えられる埋め込みフォトゲート(PPG)型の撮像素子を開発した。照射前後の暗電流をFP-PD型と比較したところ、照射前及び照射後ともPPG型のほうが数分の一にまで暗電流を軽減されることが分かり、より耐放射線性の高い監視カメラ開発の可能性が示された

論文

Development of high-performance monitoring system under severe accident condition

武内 伴照; 土谷 邦彦; 駒野目 裕久*; 三浦 邦明*; 石原 正博

Proceedings of 2017 International Congress on Advances in Nuclear Power Plants (ICAPP 2017) (CD-ROM), 6 Pages, 2017/04

福島第一原子力発電所事故後の平成23年6月に取りまとめられた日本国政府報告書において、「原子炉及び格納容器などの計装系の強化」が教訓として挙げられている。これを踏まえて、平成24年11月に耐放射線性カメラ、耐放射線性を有する水中無線伝送システム及び高温用計測線を組み合わせた過酷事故時における原子力プラント監視システムの研究開発を開始した。過酷事故時に想定される放射線環境や温度、雰囲気や水中環境等の要求仕様を満たす要素技術開発は平成26年度までに概ね完了し、現在、試作システムの構築とともに評価試験を実施し、システムの特性を取得している。今後、実用化に向けて監視システムの基本仕様や使用限界条件等の情報をユーザに提供すべく評価試験結果のとりまとめを行う。

論文

Development of radiation-resistant in-water wireless transmission system using light emitting diodes and photo diodes

武内 伴照; 柴田 裕司; 大塚 紀彰; 上原 聡明; 土谷 邦彦; 柴垣 太郎*; 駒野目 裕久*

IEEE Transactions on Nuclear Science, 63(5), p.2698 - 2702, 2016/10

 被引用回数:1 パーセンタイル:76.09(Engineering, Electrical & Electronic)

福島第一原子力発電所事故の教訓から、耐放射線性を有する水中無線伝送システムの開発を開始した。本研究では、$$gamma$$線照射下におけるLEDとフォトダイオード(PD)の発光及び受光素子としての適用性を調べた。この結果、市販のLED及びPDに対する1MGyまでの$$gamma$$線照射試験から、光学的特性の劣化主因は、半導体部の照射損傷ではなく、樹脂レンズ部の放射線着色であることが示唆された。一方、使用候補であるLED及びPDを用いた水中5mにおける光伝送を検討したところ、光吸収や1MGy時の暗電流増加を考慮しても受光が可能な信号レベルであると見積もられた。以上より、LED及びPDを用いた耐放射線性を有する水中無線伝送システムの構築に見通しが得られた。

論文

耐放射線性を有する水中無線伝送システムの開発

武内 伴照; 大塚 紀彰; 柴垣 太郎*; 駒野目 裕久*; 上野 俊二*; 土谷 邦彦

日本保全学会第13回学術講演会要旨集, p.379 - 386, 2016/07

東京電力福島第一原子力発電所事故の経験や教訓を踏まえ、過酷事故時においても水中における信号伝送が可能な無線システムの高度化に向けた基盤技術開発に取り組んだ。使用する送受信方式の選定や構成部品の耐放射線性評価を終え、要素的な技術開発を完了した。さらに、これらの要素技術を踏まえた送受信系を試作して水中環境を模擬した伝送試験を実施した。その結果、気泡や浮遊物等が存在する水中環境においても環境ロバスト性を有しており、水中5m間の可視光による無線伝送が十分に可能であることが示され、システム開発に目途を付けた。今後は、水中伝送性能のさらなる安定性向上や、放射線環境下におけるセンサ計測データ処理を確証し、システムの技術的な完成を目指す。

論文

耐放射線性カメラ用撮像素子の$$gamma$$線照射効果

武内 伴照; 大塚 紀彰; 土谷 邦彦; 田中 茂雄*; 小沢 治*; 駒野目 裕久*; 渡辺 恭志*; 上野 俊二*

日本保全学会第13回学術講演会要旨集, p.391 - 394, 2016/07

東京電力福島第一原子力発電所事故の経験や教訓を踏まえ、プラント状態の情報把握能力の向上のため、耐放射線性カメラの開発に取り組んだ。放射線環境下におけるカメラ画像劣化の主因である撮像素子内の暗電流を抑制するため、撮像素子のトランジスタ及び光電変換部について3Tr型でフィールドプレートを有する素子(3TPD)、同型でフォトゲートを有する素子(3TPG)及び4Tr型でフォトゲートを有する素子(4TPG)を設計・試作し、$$gamma$$線照射中の暗電流と照射後の光電変換感度を測定した。その結果、3TPG型が最も耐放射線性が高く、200kGy照射後も十分なダイナミックレンジが維持された。

論文

特殊環境下で使用可能な監視システム高度化開発の現状

土谷 邦彦; 武内 伴照; 駒野目 裕久*; 三浦 邦明*; 荒木 政則; 石原 正博

日本保全学会第13回学術講演会要旨集, p.375 - 378, 2016/07

2015年、軽水炉安全技術・人材ロードマップが取りまとめられ、システム・機器・構造の信頼性向上と高度化に係る取組の重要性が指摘された。この中で、原子力発電所でシビアアクシデントが発生した際に、事象進展を迅速かつ的確に把握するため、プラント状態を監視し、状況を確認するための能力の向上を図ることが重要課題として挙げられている。本報告は、資源エネルギー庁の電用原子炉等安全対策高度化技術基盤整備事業「特殊環境下で使用可能な監視システム高度化」の一環として、低照度条件でも高解像度での撮影が可能な耐放射線性カメラ及び原子炉情報伝送システム(水中でも確実に信号を伝送できる無線システム及び過酷環境下における確実に炉内のデータを伝送できる計測線)の高度化に向けた技術基盤開発の現状についてまとめたものである。

論文

Research and development of high-performance instruments for safety measure for LWRs

武内 伴照; 上野 俊二; 駒野目 裕久*; 大塚 紀彰; 柴田 裕司; 木村 伸明; 松井 義典; 土谷 邦彦; 荒木 政則

Proceedings of 6th International Symposium on Material Testing Reactors (ISMTR-6) (Internet), 7 Pages, 2013/10

福島第一原子力発電所事故における全交流電源喪失状態下では、既存の炉内計装システムは十分には機能せず、結果的に過酷事故の進展を防げなかった。また、IAEA閣僚会合に向けて平成23年6月に取りまとめられた日本国政府報告書において、教訓14として「原子炉及び格納容器などの計装系の強化」が挙げられている。こうした背景を踏まえ、原子力施設でシビアアクシデントが発生した際に、プラント状態を監視するため、平成24年度より、上記2つの対策にかかる研究開発を開始した。本研究開発の課題としては、過酷環境下でも高解像度で監視できる耐放射線性カメラ、撮影した映像を伝送するシステム、計測線等の基盤技術の構築である。これらの開発目標および開発状況や特性試験の概要について述べる。

口頭

水中無線伝送システムのための発光・受光素子の$$gamma$$線劣化特性

柴田 裕司; 花川 裕規; 武内 伴照; 上野 俊二; 上原 聡明; 土谷 邦彦; 荒木 政則; 柴垣 太郎*; 駒野目 裕久*

no journal, , 

過酷事故時の安全対策高度化のひとつとして、過酷環境下でも対応可能な情報伝送システムの確立が求められている。本研究では、水中かつ高放射線環境下における無線伝送システムの構築を目指して、可視光を用いた光通信に着目し、発信及び受信素子の候補として、それぞれ発光波長の異なる発光ダイオード(LED)3種類及び窓材の異なるフォトダイオード(PD)3種類を選定し、10$$^{6}$$Gyまでの$$gamma$$線照射前後における特性を調べた。その結果、LEDは照射によりレンズ(エポキシ系樹脂)が赤茶色に着色されるとともに、全光束は発光波長の短いLEDほど大きく減少した。また、照射前後における電流-電圧特性はほとんど変化しなかった。一方、PDは、窓材に着色のみられたものは受光感度が減少し、短波長領域でより顕著であった。また、暗電流は照射前後でほとんど変化しなかった。以上のことから、本線量の範囲では、全光束や受光感度が減少した主因は、$$gamma$$線照射による半導体の劣化ではなく、レンズや窓材で使用している樹脂の着色であることが示唆された。

口頭

軽水炉安全対策のための高性能監視システムの開発,3 環境ロバストな水中無線伝送システム設計

武内 伴照; 柴田 裕司; 上野 俊二; 上原 聡明; 土谷 邦彦; 柴垣 太郎*; 駒野目 裕久*

no journal, , 

東京電力福島第一原子力発電所事故への教訓として、原子力施設で過酷事故が発生した際に、プラント状態を監視し、状況把握能力の向上を図るための水中環境でも使用可能な無線伝送システムが望まれている。これまで、水中伝送方式として可視光を選定し、発光・受光素子(LED及びフォトダイオード)の耐放射線性を明らかにしてきた。本研究では、過酷事故時に想定されるガレキ及び懸濁や気泡のある水中環境においても、高い信頼性を持つ環境ロバストな可視光無線伝送システム設計を行った。この結果、発信器をLED2次元アレイ、受信器をカメラ(イメージセンサ)とするシステム構成を採用することにより、発信時にパターン信号と明滅信号を重畳することで、水中環境が変化しても伝送が可能である見通しを得た。

口頭

軽水炉安全対策のための高性能監視システムの開発,2; 耐放射線性カメラ用撮像素子の$$gamma$$線照射効果

武内 伴照; 上野 俊二; 柴田 裕司; 土谷 邦彦; 上柳 智裕*; 駒野目 裕久*; 渡辺 恭志*

no journal, , 

東京電力福島第一原子力発電所事故への教訓として、原子力施設で過酷事故が発生した際のプラント状態を監視し、状況把握能力の向上を図るための耐放射線性を有する監視カメラの開発が必要である。これまで、ハイビジョン型カメラでは、$$gamma$$線照射により画像にノイズが発生し、被写体が写らない現象が発生したが、これは撮像素子内の暗電流増加が原因と考えられている。本研究は、カメラ用撮像素子の画素構造を変更した種々の評価用素子を試作し、$$gamma$$線環境下における暗電流の影響を調べた。この結果、暗電流の増加は撮像素子内フォトダイオード表面及び周辺部の界面準位の増大によるものであることが分かった。これにより、3トランジスタ/フィールドプレート型の画素構造とすることで暗電流が抑制され積算線量100kGyまで画像が得られる見通しを得た。

口頭

軽水炉安全対策のための高性能監視システムの開発,1; 高性能監視システム高度化開発の現状

土谷 邦彦; 武内 伴照; 上野 俊二; 荒木 政則; 駒野目 裕久*

no journal, , 

東京電力福島第一原子力発電所事故の経験や、事故から得られた教訓を踏まえ、早急にシビアアクシデント対策を拡充して、更なる安全対策の高度化を適切に進めていくことが必要不可欠である。このため、平成24年度から発電用原子炉等安全対策高度化技術基盤整備事業として、平成24年度から特殊環境下で使用可能な監視システム高度化に係る研究開発を行っている。本発表は、原子力施設でシビアアクシデントが発生した際に、プラント状態を監視し状況把握能力の向上を図るため、低照度条件でも高解像度での撮影が可能な耐放射線性の高いカメラ、水中でも確実に信号を伝送できる無線システム及び過酷環境下における伝送技術等の高度化に向けた技術基盤の整備に向けた課題及び研究開発の現状について報告する。

口頭

Development of radiation resistant in-water transmission system using visible light with environmental robustness

武内 伴照; 大塚 紀彰; 中野 寛子; 柴垣 太郎*; 駒野目 裕久*; 土谷 邦彦

no journal, , 

過酷事故の際の使用済み燃料プール内のデータ取得及び伝送や、原子炉建屋が水で満たされる場合を想定して、水中における無線伝送システムを検討した。本研究では、水中環境が変化した場合でも安定した伝送を可能とするための、環境ロバスト性を有するか施行水中無線伝送システムの試作を行った。設計したシステムでは、発光ダイオードは2次元マトリックス配列とし、フォトダイオードはCMOSイメージセンサに置き換えた。2次元送受信システムの環境ロバスト性を確認するために、水中における気泡の有無や数を変化させて水中送受信試験を実施した。その結果、パターン信号よりも点滅信号の方が気泡の影響を受けにくく、ロバスト性に優れることが分かった。また、表面実装型の発光ダイオードの方が、砲弾型のものよりも2次元マトリックス上の各発光点の弁別性に優れていることが分かった。一方で、発光素子の耐放射線性を確認するため、発光ダイオードに対する$$gamma$$線照射試験を実施した。その結果、表面実装型の方が吸収線量に対する全光束の現象が小さく耐放射線性の面からも同発光ダイオードが伝送システムの発光素子として有利であることが分かった。

口頭

$$gamma$$線環境下における水中無線伝送システム光学機器の評価

大塚 紀彰; 武内 伴照; 土谷 邦彦; 柴垣 太郎*; 駒野目 裕久*

no journal, , 

原子力発電所における監視システム高度化の一環として、使用済燃料プール内の温度、水位等の情報を送受信可能とするLEDを用いた光無線伝送システムの開発を行っている。本研究では、伝送システムの送信機に用いる表面実装型LEDについて、$$gamma$$線照射による影響を調べた。発光波長が465nm(青), 522nm(緑)及び635nm(赤)の発光波長をもつ表面実装型LEDを積算線量1, 10, 100及び1000kGyまで線量率10kGy/hの条件で照射した結果、LEDレンズに対する$$gamma$$線の影響及び照射後の赤色光LEDが$$gamma$$線環境下における光通信を実行可能な全光束を保持していることを明らかにした。また、赤色光LEDを20$$times$$20に配した2次元マトリックス送信ユニットによる$$gamma$$線環境下における送信試験を実施した結果、受信側でのパターン認識も可能であることを明らかにした。

口頭

耐放射線性カメラ用撮像素子の$$gamma$$線照射効果

武内 伴照; 大塚 紀彰; 上柳 智裕*; 渡辺 恭志*; 駒野目 裕久*; 上野 俊二*; 土谷 邦彦

no journal, , 

原子力発電所における監視システムの高度化の一環として、過酷事故が発生した際にも監視機能を失わない耐放射線性カメラの開発を行っている。既存カメラに対する$$gamma$$線照射試験結果から、照射による画像劣化の主因は撮像素子内の暗電流増加であることが明らかとなった。本研究では、暗電流を抑制するため、撮像素子のトランジスタ及び光電変換部について、3トランジスタ型(3T型)でフィールドプレートを有する素子(3TPD)、同型でフォトゲートを有する素子(3TPG)及び4トランジスタ型(4T型)でフォトゲートを有する素子(4TPG)を試作し、$$gamma$$線照射施設で70kGyまで照射して暗電流と光電変換感度を測定した。その結果、照射前はトランジスタ構造の多い4T型が有利であるものの、照射下では、トランジスタ構造の少ない3T型のほうが、照射による暗電流の発生個所が少ないことから有利であり、厚い酸化膜を持つフィールドプレート型よりも、酸化膜の薄いフォトゲート型のほうが、照射による界面準位増大を抑制でき、暗電流を軽減できることが分かった。以上から、最も耐放性の高い3TPGでは、70kGy照射後も十分な性能が維持されることを明らかにした。

口頭

特殊環境下における軽水炉プラント情報取得に関する機器開発

武内 伴照; 土谷 邦彦; 石原 正博; 駒野目 裕久*; 三浦 邦明*

no journal, , 

原子力発電所における監視システムの高度化の一環として、過酷事故が発生した際にも監視機能を失わない耐放射線性カメラ及び原子炉情報伝送システムの技術基開発を実施している。本研究では、耐放射線性カメラ及び可視光無線伝送システムに対する$$gamma$$線照射の影響評価を行った。耐放射線性カメラに関し、照射中に撮像素子のフォトゲート電圧を変化させたところ、最も良好な画質が得られる電圧値は、照射前の-1.6Vではなく、0Vであることが分かった。こうした挙動のメカニズムを明らかにするため、照射後の撮像素子について光電変換特性を計測した。その結果、光電変換感度の高さよりも飽和電荷量の大きさを優先した電圧条件にするほうが、放射線による暗電流増加の影響が相対的に軽減され、画質への影響が抑制されたことが原因と示唆された。また、可視光無線伝送システムに関し、照射下における熱電対による温度計測値は、室温$$sim$$125$$^{circ}$$Cの全範囲で復号化が可能であった。また、その精度は約3$$^{circ}$$C以内であり、2$$^{circ}$$C/minの温度勾配を与えた場合にもその精度は変わらず、環境の温度が変化する場合にも十分に無線計測が可能なことが示された。

口頭

過酷環境下における水中無線伝送システムの評価

大塚 紀彰; 武内 伴照; 土谷 邦彦; 柴垣 太郎*; 駒野目 裕久*

no journal, , 

原子力発電所における監視システムの高度化の一環として、過酷事故時でも使用済燃料プール内の温度、水位等の計測データを送受信可能な水中無線伝送システムの開発を行っている。過酷事故時の水中環境を想定した場合、気泡、濁度、障害物等により、光通信による情報伝達が困難であった。本研究では、受信用デジタルカメラのシャッター速度の高速化と発光点のトラッキングによる水面揺らぎの影響軽減を行い、各種環境下における発光パターンの認識率に与える影響を調べた。この結果、シャッター速度30fpsかつトラッキングなしの場合、気泡供給数が少ない条件においても画像が乱れ、認識率のばらつきも大きく、150個/minでは発光パターンの認識率は約0.1であった。一方、150個/minでシャッター速度300fpsかつトラッキングありの時、認識率は0.95以上と安定した画像を取得した。以上より、過酷事故に想定される水環境においても、光による無線伝送できる見通しを得た。

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