(57)【要約】  コロナ放電型の、ガス放電レーザのための予備電離器アセンブリが開示される。アセンブリは、電極、及び中空の管のボアを定める誘電体管を含むことができる。１つの態様において、電極は、管のボア内に配置される第１端部を有する第１の細長い導電性部材を含むことができる。更に、電極は、第１導電性部材の第１端部から離間されてボア内に配置される第１端部を有する第２の細長い導電性部材を含むことができる。アセンブリのために、第１及び第２導電性部材は同じ電位に保つことができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス放電レーザのための予備電離器アセンブリであって、
管のボアを定める誘電体管と、
電極と、
を含み、前記電極は、
前記管の前記ボア内に配置された第１端部、及び第２端部を有する、第１の細長い導電性部材と、
前記第１導電性部材の前記第１端部から離間されて前記ボア内に配置された第１端部、及び第２端部を有する、第２の細長い導電性部材と、
を含み、前記第１及び第２の導電性部材は同じ電位に保たれる
ことを特徴とする予備電離器アセンブリ。
【請求項２】
前記第１部材の少なくとも一部は、長手方向軸を定める棒として形成され、前記第１部材の前記第１端部には、前記長手方向軸と位置合わせされた実質的に円筒形状の開口部が形成されることを特徴とする請求項１に記載の予備電離器アセンブリ。
【請求項３】
前記実質的に円筒形状の開口部は内径Ｄを有し、前記第２部材の少なくとも一部は棒として形成され、前記第２部材の前記第１端部にはｄ＜Ｄである外径ｄを有する実質的に円筒形状の突出部が形成されることを特徴とする請求項２に記載の予備電離器アセンブリ。
【請求項４】
前記実質的に円筒形の突出部の前記少なくとも一部は、前記実質的に円筒形状の開口部内部に配置されることを特徴とする請求項３に記載の予備電離器アセンブリ。
【請求項５】
前記第１部材及び前記第２部材は、ガス放電チャンバ・ハウジングに電気的に接続されることを特徴とする請求項１に記載の予備電離器アセンブリ。
【請求項６】
前記第１部材の少なくとも一部は、ｄrodの直径を有する棒として形成され、前記第１部材の前記第１端部は、ｄrodの直径を有する実質的に平坦な面として形成されることを特徴とする請求項１に記載の予備電離器アセンブリ。
【請求項７】
前記第１部材の少なくとも一部は棒として形成され、前記第１部材の前記第１端部には、凹状の内面を有するキャビティが形成され、且つ、前記第２部材の少なくとも一部は棒として形成され、前記第２部材の前記第１端部には、凸状の外面を有する突出部が形成されることを特徴とする請求項１に記載の予備電離器アセンブリ。
【請求項８】
前記突出部の少なくとも一部は、前記キャビティ内部に配置されることを特徴とする請求項７に記載の予備電離器アセンブリ。
【請求項９】
前記管はセラミック材料で作られ、前記電極は真鍮で作られることを特徴とする請求項１に記載の予備電離器アセンブリ。
【請求項１０】
前記第１部材の前記第１端部は丸く、前記第２部材の前記第１端部も丸いことを特徴とする請求項１に記載の予備電離器アセンブリ。
【請求項１１】
前記誘電体管は外面を有し、前記アセンブリは、前記外面を、前記ガス放電レーザの放電電極に接続するための導体を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の予備電離器アセンブリ。
【請求項１２】
チャンバ・ハウジングと、
長手方向軸を定める第１の細長い放電電極と、
前記第１電極から離間され、前記長手方向軸に対して実質的に平行に位置合わせされた第２の細長い放電電極と、
前記ハウジング内部のレーザ発振可能なガス状媒体と、
前記ガス状媒体を励起するように、前記第１放電電極と前記第２放電電極との間の電位差を確立するための電圧源と、
予備電離器アセンブリと、
を含み、前記予備電離器アセンブリは、
管のボアを定める誘電体管と、
予備電離電極と、
を含み、前記予備電離電極は、
前記長手方向軸に対して実質的に平行に位置合わせされ、少なくとも一部は前記管の前記ボア内に配置される第１の細長い導電性部材と、
前記長手方向軸に対して実質的に平行に位置合わせされ、少なくとも一部は前記第１部材から離間されて前記ボア内に配置される第２の細長い導電性部材と、
を含む、
ことを特徴とするガス放電レーザ。
【請求項１３】
前記第１部材の少なくとも一部は棒として形成され、前記第１部材の端部には、実質的に円筒形状の開口部が形成されることを特徴とする請求項１２に記載のガス放電レーザ。
【請求項１４】
前記実質的に円筒形状の開口部は内径Ｄを有し、前記第２部材の前記少なくとも一部は棒として形成され、前記第２部材の端部には、ｄ＜Ｄである外径ｄを有する実質的に円筒形状の突出部が形成されることを特徴とする請求項１３に記載のガス放電レーザ。
【請求項１５】
前記実質的に円筒形状の突出部の前記少なくとも一部は、前記実質的に円筒形状の開口部内部に配置されることを特徴とする請求項１４に記載のガス放電レーザ。
【請求項１６】
前記第１部材及び前記第２部材は、チャンバ・ハウジングに電気的に接続されることを特徴とする請求項１２に記載のガス放電レーザ。
【請求項１７】
ガス状材料を電離させるように光子を生成するためのアセンブリであって、
管のボア及び外側の管表面を定める誘電体管と、
予備電離電極と、
を含み、前記予備電離電極は、
前記予備電離電極は、
前記長手方向軸に対して実質的に平行に位置合わせされ、少なくとも一部は前記管の前記ボア内に配置される第１の細長い導電性部材と、
前記長手方向軸に対して実質的に平行に位置合わせされ、少なくとも一部は前記第１部材から離間されて前記ボア内に配置される第２の細長い導電性部材と、
を含み、
光子を生成するために、前記予備電離電極と、前記外側の管表面上の位置との間に電位差を確立する電圧源と、
を含む、
ことを特徴とするアセンブリ。
【請求項１８】
前記第１部材の少なくとも一部は棒として形成され、前記第１部材の端部には、実質的に円筒形状の開口部が形成されることを特徴とする請求項１７に記載のアセンブリ。
【請求項１９】
前記実質的に円筒形状の開口部は内径Ｄを有し、前記第２部材の前記少なくとも一部は棒として形成され、前記第２部材の端部には、ｄ＜Ｄである外径ｄを有する実質的に円筒形状の突出部が形成されることを特徴とする請求項１８に記載のアセンブリ。
【請求項２０】
前記実質的に円筒形状の突出部の前記少なくとも一部は、前記実質的に円筒形状の開口部内部に配置されることを特徴とする請求項１９に記載のアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス式ガス放電レーザに関する。本発明は、限定ではないが、特に、放電の不安定性を低減するためにコロナ放電予備電離器を有するガス放電レーザとして有用である。
【背景技術】
【０００２】
予備電離がない場合、ＡｒＦ、ＸｅＦ及びＫｒＦのエキシマレーザ及びフッ素分子レーザ等のガス放電パルス式レーザは、一般に不安定である。具体的には、予備電離を行わないと、適切なレーザ放射に必要なグロー放電は起こらない。反対に、主ガス放電が起こる直前のガス放電領域に電子の均一な分布をもたらす予備電離を用いて、高品質で安定したレーザ・パルスを生成することができる。
【０００３】
予備電離における初期の試みは、電極材料を気化し、活性レーザガスを消費し汚染するという望ましくない影響がある、大電流で局所的な強いスパークを引き起こすスパーク予備電離の使用を含んでいた。より最近では、ＵＶ及びＸ線の波長を典型的に含む実質的に均一な放射線放出をもたらすように、スパークしないコロナ放電の予備電離器が開発され、用いられてきた。均一な予備電離を生成するコロナ放電は、帯電部分のない良好なビーム特性、高いエネルギー安定性、電極寿命の向上、ハロゲン消費の低減をもたらすことができる。１つのこうした方法においては、コロナ放電は、誘電体材料にわたる電位差を確立することにより生成される。
【０００４】
より幾何学的に見ると、典型的なガス放電レーザは、離間された、細長い(例えば、６０ｃｍの長さの)一対の主放電電極を用いて、ガス状材料内でレーザ発振を開始することができる。パルス後に放電領域から迅速にガスを排出し、次のパルスのために電極に新鮮なガス部分を与えるように、電極を越えてレーザ発振可能なガス状媒体を循環させるために、送風機を提供することができる。従って、主電極間での放電直前に、多少大きくて細長く、ある程度矩形の、新鮮なガス状媒体の放電容積部が均一に予備電離される必要がある。
【０００５】
上述の形状に関して、実質的に均一な予備電離をもたらす効果的な方法は、一般に、放電電極に対して平行に位置合わせされ、放電領域近傍に位置付けられた、誘電体材料で作られた細長い管の使用を伴う。導電性の予備電離電極（典型的には、銅又は真鍮で作られた）を、次に、管のボア内に置くことができ、予備電離電極と主放電電極のうちの１つとの間の電位差を発生させるために用いることができる。この電位差は、誘電体管を半径方向に横切って延び、管の外面から放出される光子の実質的に均一な放出をもたらす。
【０００６】
１つの構成においては、ガス状媒体及び放電領域を囲むアルミニウム製チャンバ・ハウジングが用いられる。予備電離電極の各端部は、次に、機械的に、場合によっては電気的にハウジングに接続され、次いで接地される。従って、予備電離電極と主電極との間の電位差は、主電極が接地に対してバイアスをかけられるときに確立される。
【０００７】
予備電離システムを設計するときに考慮されなければならない重要な要素は、レーザチャンバ内で生じた熱に対する、種々の予備電離構造体の応答である。上述の構造体の場合、１つの主な故障モードは、真鍮／銅の予備電離電極の熱膨張による、比較的壊れやすい誘電体管のひび割れであると特定されている。具体的には、これらの材料の両方は、比較的高い線形熱膨張係数（ＬＴＥＣ）（即ち、温度変化の度合いに対する棒の長さの分数変化率）を有する。例えば、摂氏温度当たり約２３×１０-6のＬＴＥＣを有するアルミニウムと比較すると、真鍮は摂氏温度当たり約１９×１０-6のＬＴＥＣを有し、銅は摂氏温度当たり約１７×１０-6のＬＴＥＣを有する。動作中、予備電離電極は、典型的には、アルミニウム製ハウジングより高い温度まで加熱され、結果として、予備電離電極は、熱に曝されることにより、ステンレス鋼製ハウジングよりもはるかに膨張する可能性があり、この膨張の差は、電極を弓形に曲げて、誘電体管にひび割れを生じさせる可能性がある。
【０００８】
上述の考察を十分に認識して、出願人は、レーザチャンバ内で生じた熱に適応すると同時に、実質的に均一な予備電離容積部を提供するための予備電離システム及び方法を開示する。
【発明の開示】
【０００９】
ガス放電レーザのための予備電離器アセンブリは、電極と、管のボアを定める誘電体管とを含むことができる。１つの態様においては、電極は、管のボア内に配置される第１端部を有する第１の細長い導電性部材を含むことができる。更に、電極は、第１の導電性部材の第１端部から離間されてボア内に配置される第１端部を有する第２の細長い導電性部材を含むことができる。アセンブリのために、第１及び第２の導電性部材は同じ電位に保つことができる。
【００１０】
特定の実施形態においては、第１部材の一部は長手方向軸を定める棒として形成することができ、第１部材の第１端部には、長手方向軸と位置合わせされ、内径Ｄを有する実質的に円筒形状の開口部を形成することができる。この実施形態においては、第２部材の一部は棒として形成することができ、第２部材の第１端部には、ｄ＜Ｄの外径ｄを有する、実質的に円筒形状の突出部を形成することができる。この構造体では、実質的に円筒形状の突出部の少なくとも一部は、実質的に円筒形状の開口部内部に配置できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
最初に図１を参照すると、ＫｒＦエキシマレーザ、ＸｅＦエキシマレーザ、ＡｒＦエキシマレーザ又はフッ素分子レーザ等のパルス化レーザのためのガス放電チャンバが示され、概して１０と呼ばれる。チャンバ１０は、典型的には、例えば、ニッケルめっきアルミニウム等の比較的丈夫な耐食性の材料で作ることができ、一般に端部閉鎖型の矩形構造体であるチャンバ・ハウジング１２を含む。この構造体により、ハウジング１２は、レーザ発振可能なガス媒体を保持する容積部１４を取り囲むことができる。
【００１２】
チャンバ１０は、また、一方はカソードと呼ばれ、他方はアノードと呼ばれる、離間された２つの細長い電極１６、１８を有するガス放電システムを含むことができる。この配置により、ガス放電領域２０が電極１６と１８の間の空間に確立され、図１に示されるチャンバ２０のために、紙面に対して実質的に垂直に延びるレーザ・ビーム軸２２を含む。各電極１６、１８は、例えば、約４０から８０ｃｍの長さまで細長くすることができ、軸２２に対して一般に平行方向に位置合わせすることができる。従って、示されるチャンバ１０のためのガス放電領域２０は、電極１６、１８の長さ(即ち、４０から８０ｃｍ)に近い長さと、ある程度矩形の断面を有する細長い容積部であり、これは、例えば、ＡｒＦエキシマレーザに関しては、電極間隔の方向に約１２ｍｍ×３ｍｍの幅とすることができる。示されるように、電極１６とハウジング１２との電気接触は、例えば、セラミック材料等の誘電体から作ることができる主絶縁体２４により防止される。１つの実施においては、電極１８は、例えば地電位等の一定の基準電位に維持され、電極１６には、基準電位に対してバイアスをかけて、ガス放電領域２０内で電気放電を開始することができる。他のバイアス手法も可能であるということが認識されるべきである。
【００１３】
図１は、更に、チャンバ１０は、中空の誘電体管２６、予備電離電極２８、及び、すべての実施形態に必要ということではないが、導電シム３０を有する予備電離システムも含むことを示す。図２は、予備電離電極２８は、誘電体管２６のボア３６内部に配置される端部３４を有する細長い導電性部材３２と、誘電体管２６のボア３６内部に配置される端部４０を有する細長い導電性部材３８とを含むことができることを示す。更に示されるように、部材３２、３８は、管２６内部の共通軸４２に沿って位置合わせされる。部材３２、３８のうちの少なくとも一方、典型的にはその両方は、部材３２、３８が管２６に対して軸方向に移動することができるように、管２６のボア３６内に配置される。予備電離システムのために、部材３２、３４は、真鍮又は銅のような導電性材料から作ることができ、誘電体管２６はセラミックで作ることができる。
【００１４】
図２は、部材３２の端部３４が、例えば、部材３２、３８のうちの一方又はその両方の熱膨張の間、部材３８に対して部材３２が軸方向に移動可能なように、部材３８の端部４０から軸方向に離間されていることを更に示す。図２に示される実施形態においては、部材３８の端部４０には、実質的に軸４２と位置合わせされた、実質的に円筒形状の開口部４４が形成される。更に、この実施形態においては、部材３２の端部３４には、実質的に円筒形状の突出部４６が形成される。相対的比率の点から見ると、示される構造体に関しては、開口部４４は内径Ｄを有し、突出部４６はｄ＜Ｄである外径ｄを有し、突出部４６が開口部４４の内側に嵌まり、且つ内部で移動できるようになっている。軸方向の膨張に適応するように軸方向の空間を維持しながら、端部３４と端部４０との偶発的な接触が起こり得ることが認識されるべきである。開口部４４及び突出部４６に関する例示的な長さ寸法は、例えば、Ｌ＝１．１ｃｍ、及びｌ＝１．０ｃｍを含むことができる。各々の端部３４、４０における第１及び第２部材３０、３２の軸方向の重なりにより特徴付けられる構造体のこうした相互作用によって、比較的均一な予備電離放出を、部材３０、３２の端部３４、４０近傍で得ることができる。
【００１５】
図３は部材３２の全長を示す。そこに示されるように、部材３２は、実質的に円筒形の、棒部分４８（管２６の内径よりわずかに小さい外径を有する）と、端部３４においてそこから延びる突出部４６とを含む。部材３２は、また、アーク発生を減らすために（棒部分４８に比して）細くなった区域と、部材３２をハウジング壁（図示せず）に取り付けるためのフランジ５２とを有する部分５０も含むことができる。部材３２は、約５７ｃｍの長さを有する電極１６と共に用いるために、約３４ｃｍの全体的な長さＬ1を有することができる。
【００１６】
図４は部材３８の全長を示す。そこに示されるように、部材３８は、実質的に円筒形の、棒部分５４（管２６の内径よりわずかに小さい外径を有する）と、端部４０に形成された開口部４４とを含む。部材３８は、また、アーク発生を減らすために（棒部分５４に比して）細くなった区域と、回転を防ぐために誘電体管２６と嵌合することができるフランジ５８とを有する部分５６も含むことができる。部材３８は、５７ｃｍの長さを有する電極１６と共に用いるために、約３３．５ｃｍの全体的な長さＬ2を有することができる。
【００１７】
図５は、誘電体管２６のボア３６内部に配置される実質的に平坦な端部３４’を有する細長い導電性部材３２’を含む予備電離電極２８’を有する、予備電離システムの別の実施形態を示す。電極２８’は、また、部材３２’の端部３４’から軸方向に離間されて誘電体管２６のボア３６内部に配置される実質的に平坦な端部４０’を有する細長い導電性部材３８’も含むことができる。こうして軸方向に離間することにより、誘電体管２６がひび割れることなく、部材３２’、３８’の熱膨張を許容する。
【００１８】
図６は、誘電体管２６のボア３６内部に配置される実質的に凹状の端部３４”を有する細長い導電性部材３２”を含む予備電離電極２８”を有する、予備電離システムの別の実施形態を示す。電極２８”は、また、部材３２”の端部３４”から軸方向に離間されて誘電体管２６のボア３６内部に配置される実質的に凸状の端部４０”を有する細長い導電性部材３８”を含むことができる。こうして軸方向に離間することにより、誘電体管２６がひび割れることなく、部材３２”、３８”の熱膨張を許容する。
【００１９】
図７は、誘電体管２６のボア３６内部に配置される丸い端部３４’’’を有する細長い導電性部材３２’’’を含む予備電離電極２８’’’を有する、予備電離システムの別の実施形態を示す。電極２８’’’は、また、部材３２’’’の端部３４’’’から軸方向に離間されて誘電体管２６のボア３６内部に配置される丸い端部４０’’’を有する細長い導電性部材３８’’’を含むことができる。こうして軸方向に離間することにより、誘電体管２６がひび割れることなく、部材３２’’’、３８’’’の熱膨張を許容する。
【００２０】
(動作)
図１に戻って参照すると、動作中、主電極１６と主電極１８との間の放電に先立って予備電離放出を確立するために、電圧差が誘電体管２６を半径方向に横切って与えられる。この電位は、いくつかの異なる方法のうちの１により実現することができる。例えば、電位差は、予備電離電極２８と導電シム３０との間に確立できる。この場合、部材３２、３８の両方は、典型的に、同じ電位に保たれる。示されるように、導電シム３０は、管２６と主絶縁体２４との間に位置付けることができ、誘電体管２６の長さに実質的に沿って延びるように細長くできる。導電シム３０は、電極１６と電気的に接触してもよいし、しなくてもよい。いくつかの実施においては、部材３２、３８は、ハウジング１２に電気的に接続されており、つまり、例えば接地等の基準電位に接続される。導電シム３０及び／又は電極１６、１８のうちの１つは、次に、基準電位に対してバイアスをかけられて、管２６にわたり電位差を確立することができる。
【００２１】
１つの予備電離管２６のみが、放電電極１６、１８の上流側に位置付けられて示されるが、他の配置も、用途に応じて等しく適切であるということも理解されるであろう。例えば、予備電離管２６を放電電極１６、１８の下流側に位置付けることも可能であり、或いは、一対の予備電離管２６を用い、一方は放電電極１６、１８の上流側に位置付け、他方は下流側に位置付けることもできる。
【００２２】
米国特許法第１１２条（35 U.S.C. §112）を満たすように要求される詳細な説明において、本特許出願において説明され示された実施形態の特定の態様は、上述の実施形態の態様により解決される問題又はそれに対するあらゆる他の理由又はその目的物のためのあらゆる上述の目的を完全に達成することができるが、当業者であれば、本発明の説明された実施形態に関してここで説明された態様は、本発明により広義に考察された主題の例示的なもの、例証、及びそれを代表したものにすぎないことを理解すべきである。ここで説明され、特許請求される実施形態の態様の範囲は、本教示及び明細書に基づいて、当業者には現時点で明らかであり、また明らかになるであろう他の実施形態を完全に包含する。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ完全に制約されるにすぎず、添付の特許請求の範囲の記載の範囲外のものに制約されない。こうした特許請求の範囲内の要素の単数形の参照は、こうした特許請求の範囲の要素を、明白に述べたときを除いて「１つ、及び１つのみ」と解釈することを意味することを意図しないし、また意味せず、むしろ「１つ又はそれ以上」を意味する。当業者にとっては公知の又は後で公知になる、上述の実施形態の態様のどのような要素とも構造的及び機能的に同等物のすべては、引用によりここに明確に組み込まれ、本発明の特許請求の範囲に包含されることを意図するものである。明細書及び／又は特許請求の範囲において用いられ、本出願の明細書及び／又は特許請求の範囲において特定して意味を与えられたどのような用語も、いかなる辞書、又は、こうした用語について通常用いられる他の意味に関わらずその意味を有する。本発明の特許請求の範囲により包含されるように、実施形態の任意の態様として明細書において述べられた装置又は方法が、本出願に開示される実施形態の態様により解決することが求められるありとあらゆる問題に対処することは意図されておらず、必須でもない。本開示におけるいかなる要素、構成部品又は方法のステップも、要素、構成部品又は方法のステップが、特許請求の範囲内に明確に記載されているかどうかに関わらず、公衆に供することを意図するものではない。添付の特許請求の範囲のいかなる請求項の要素も、この要素が「のための手段」という語句を用いて特定して記載されているか、又は、方法の請求項の場合、要素が「行為」の代わりに「ステップ」として記載されているのでない限り、米国特許法第１１２条第６項の条項に基づいて解釈されるべきではない。
【００２３】
当業者であれば、上記で開示された本発明の実施形態の態様は、好ましい実施形態であることのみを意図し、本発明の開示を限定することは決して意図しておらず、特に、特定の好ましい実施形態だけに限定することを意図するものではないことを理解するであろう。当業者に理解され認識される、開示された発明の開示された実施形態の態様に対して多くの変更及び修正を行うことができる。添付の特許請求の範囲は、範囲及び趣旨において、本発明の開示された実施形態の態様のみに及ぶのではなく、当業者にとっては明白である同等物、他の修正及び変更にも及ぶことを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】レーザの軸に対して横方向に取られた、ガス放電レーザチャンバの断面図を示す。
【図２】２つの細長い導電性部材を含む予備電離電極を有する予備電離システムの一部の断面図を示す。
【図３】図２に示されたシステム内に示される電極内で用いるための第１導電性部材の全長側面図を示す。
【図４】図２に示されたシステム内に示される電極内で用いるための第２導電性部材の全長側面図（部分断面図）を示す。
【図５】それぞれが実質的に平坦な端部をもつ２つの細長い導電性部材を含む予備電離電極を有する、別の実施形態の予備電離システムの一部の断面図を示す。
【図６】一方の部材は凹状の端部を有し、他方の部材は凸状の端部を有する２つの細長い導電性部材を含む予備電離電極を有する、別の実施形態の予備電離システムの一部の断面図を示す。
【図７】それぞれが丸い端部をもつ２つの細長い導電性部材を含む予備電離電極を有する、別の実施形態の予備電離システムの一部の断面図を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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