(57)【要約】【課題】  静電気のような高電圧、小電流の電気エネルギーを、効率的かつ安全に低電圧、大電流の電気エネルギーに変換する電気エネルギー変換素子を提供する。【解決手段】  本発明の電気エネルギー変換素子は、突起物２を有し、負の静電気を帯電させる帯電板１と、帯電板１と間隔を置いて備えられ、両端に電極３、５を有し、突起物２と帯電板側の電極３との間の放電により突起物２から放射された電子を受電するｐｎ接合素子４と、突起物２から放射された電子がｐｎ接合素子４内を非弾性散乱する間に生成された電子正孔対からなり、電極３、５を介して取り出された電流を蓄える充電池８を備える。突起物２から放射された高エネルギーの電子は、ｐｎ接合素子４内で、半導体のバンドギャップエネルギー程度の低エネルギーの多数の電子正孔対に変換されるので、高電圧、小電流の電気エネルギーが、低電圧、大電流の電気エネルギーに変換される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高電圧、小電流の静電気エネルギーを低電圧、大電流の電気エネルギーに変換する電気エネルギー変換素子であって、
突起物を有し、負の静電気を帯電させる帯電板と、
前記帯電板と間隔を置いて備えられ、両端に電極を有し、前記突起物と前記帯電板側の前記電極との間の放電により前記突起物から放射された電子を受電するｐｎ接合素子と、
前記突起物から放射された電子が前記ｐｎ接合素子内を非弾性散乱する間に生成された電子正孔対からなる電流を、前記電極を介して取り出す電気エネルギー取り出し手段を有する電気エネルギー変換素子。
【請求項２】
前記ｐｎ接合素子は、前記帯電板側がｐ型領域である、請求項１に記載の電気エネルギー変換素子。
【請求項３】
高電圧、小電流の静電気エネルギーを低電圧、大電流の電気エネルギーに変換する電気エネルギー変換素子であって、
突起物を有する接地板と、
前記接地板と間隔を置いて備えられ、両端に電極を有し、前記突起物と正の静電気を帯電させる前記接地板側の前記電極との間の放電により前記突起物から放射された電子を受電するｐｎ接合素子と、
前記突起物から放射された電子が前記ｐｎ接合素子内を非弾性散乱する間に生成された電子正孔対からなる電流を、前記電極を介して取り出す電気エネルギー取り出し手段を有する電気エネルギー変換素子。
【請求項４】
前記ｐｎ接合素子は、前記接地板側がｎ型領域である、請求項３に記載の電気エネルギー変換素子。
【請求項５】
前記電気エネルギー取り出し手段に電気的に接続され、前記電気エネルギー取り出し手段によって取り出された電気エネルギーを蓄える充電手段をさらに有する、請求項１から４のいずれか１項に記載の電気エネルギー変換素子。
【請求項６】
前記突起物の先端の曲率半径が１μｍ以下である、請求項１から５のいずれか１項に記載の電気エネルギー変換素子。
【請求項７】
前記突起物の密度が１平方ミリメートルあたり１本以上である、請求項１から６のいずれか１項に記載の電気エネルギー変換素子。
【請求項８】
前記突起物と前記ｐｎ接合素子の間隔は、平均間隔に対して３０％以下の範囲で整っている、請求項１から７のいずれか１項に記載の電気エネルギー変換素子。
【請求項９】
前記突起物は、前記ｐｎ接合素子に対して垂直または４５°以内の角度で配向した多層カーボンナノチューブである、請求項１から８のいずれか１項に記載の電気エネルギー変換素子。
【請求項１０】
前記突起物は、前記ｐｎ接合素子に対して垂直または４５°以内の角度で配向した半導体ナノワイヤである、請求項１から８のいずれか１項に記載の電気エネルギー変換素子。
【請求項１１】
前記突起物は、前記ｐｎ接合素子に対して垂直または４５°以内の角度で配向した導電性ナノワイヤである、請求項１から８のいずれか１項に記載の電気エネルギー変換素子。
【請求項１２】
前記帯電板または前記接地板と前記ｐｎ接合素子との間が真空である、請求項１から１１のいずれかに１項に記載の電気エネルギー変換素子。
【請求項１３】
前記帯電板または前記接地板と前記ｐｎ接合素子との間に不活性ガスが封入されている、請求項１から１１のいずれか１項に記載の電気エネルギー変換素子。
【請求項１４】
前記ｐｎ接合素子の両端に設けられた電極のうち、前記帯電板側または前記接地板側の電極が透明電極であり、放電によって生成された光子が前記ｐｎ接合素子によって電子正孔対に変換される、請求項１３に記載の電気エネルギー変換素子。
【請求項１５】
前記電極に印加する電圧は、前記帯電板または前記接地板側の前記電極の帯電電圧の一部を利用する、請求項１から１４のいずれか１項に記載の電気エネルギー変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高電圧、小電流の電気エネルギーを効率的に低電圧、大電流の電気エネルギーに変換する電気エネルギー変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
自然界には静電気や雷などの形で電気エネルギーが存在しているが、現在のところ、これらの電気エネルギーはほとんど利用されていない。これは、これらの電気エネルギーが非常に高電圧で、しかも電流量は少ないという特徴を有していることに起因している。これらの特徴のため、これらの電気エネルギーを効率的に利用するのは極めて困難である。しかしながら、こうした電気エネルギーを利用する試みがすでにいくつかなされている（たとえば、特開２００１−５７７８５号公報（特許文献１）や特開平５−６４４７１号公報（特許文献２）を参照）。
【特許文献１】特開２００１−５７７８５号公報
【特許文献２】特開平５−６４４７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１には、静電気によって発生した電荷をキャパシタに蓄積し、必要に応じて電気エネルギーを取り出す方法が示されている。しかしながら、この方法では、静電気を発生させる装置を必要とするために装置が大きくなること、キャパシタに貯まる電荷量に依存して電圧が変化してしまうこと、大きな電力を蓄積した場合、キャパシタ内で放電しやすくなることなどの問題点がある。
【０００４】
また、特許文献２に記載の発明は、４００℃の高温で水素を使用する点で安全性に大きな問題点がある。
【０００５】
本発明の目的は、静電気のような自然界に存在する高電圧、小電流の電気エネルギーを、効率的かつ安全に低電圧、大電流の電気エネルギーに変換する電気エネルギー変換素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の電気エネルギー変換素子は、突起物を有し、負の静電気を帯電させる帯電板と、帯電板と間隔を置いて備えられ、両端に電極を有し、突起物と帯電板側の電極との間の放電により突起物から放射された電子を受電するｐｎ接合素子と、突起物から放射された電子がｐｎ接合素子内を非弾性散乱する間に生成された電子正孔対からなる電流を、電極を介して取り出す電気エネルギー取り出し手段を有する。
【０００７】
以上のような構成をとることで、突起物から放射された高エネルギーの電子は、ｐｎ接合素子内で、半導体のバンドギャップエネルギー程度の低エネルギーの多数の電子正孔対に変換される。以上によって、高電圧、小電流の電気エネルギーが、低電圧、大電流の電気エネルギーに変換される。
【０００８】
さらに、ｐｎ接合素子のｐ型領域が帯電板側になるようにすると、突起物から放射された電子によって負に帯電しやすい帯電板側の電極ともう一方の電極との間の電圧が、ｐｎ接合素子に逆バイアスを与えるので、生成された多数の電子正孔対からなる電流を効率よく取り出すことができる。
【０００９】
また、同様に、本発明の電気エネルギー変換素子は、突起物を有する接地板と、接地板と間隔を置いて備えられ、両端に電極を有し、突起物と正の静電気を帯電させる接地板側の電極との間の放電により突起物から放射された電子を受電するｐｎ接合素子と、突起物から放射された電子がｐｎ接合素子内を非弾性散乱する間に生成された電子正孔対からなる電流を、電極を介して取り出す電気エネルギー取り出し手段により構成してもよい。
【００１０】
この場合、ｐｎ接合素子のｎ型領域が接地板側になるようにすると、正に帯電した接地板側の電極ともう一方の電極との間の電圧が、ｐｎ接合素子に逆バイアスを与えるので、生成された多数の電子正孔対からなる電流を効率よく取り出すことができる。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明によれば、静電気のような自然界に存在する高電圧、小電流の電気エネルギーを、効率的かつ安全に低電圧、大電流の電気エネルギーに変換することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
（第１の実施形態）
本実施形態は、負に帯電させる突起物を有する帯電板と、この帯電板の突起物と間隔を隔てて対向するｐｎ接合素子とを有する電気エネルギー変換素子に関する。図１は、本実施形態の電気エネルギー変換素子の構成を模式的に示す断面図である。
【００１４】
図１の電気エネルギー変換素子は、帯電板１と帯電板１に電気的に接続した突起物２を含む。帯電板１は、例えば、厚さ５００μｍ、１０ｍｍ四方のアルミニウム製で、片面に機械加工による粗面処理で作製した突起物２を持つ。ｐｎ接合素子４は、例えば、厚さ３００μｍのｎ型シリコン基板に、イオン注入やエピタキシャル成長などにより作製した厚さ５μｍのp型領域を有する。さらにｐ型領域側には、例えば、厚さ５０ｎｍのアルミニウム製上部電極３をオーミック接合させる。また、裏面にもオーミック接合した下部電極５を有する。
【００１５】
帯電板１とｐｎ接合素子４は、帯電板１の突起物２と上部電極３とが、例えば約２０μｍの距離を離して向かい合うように、セラミックパッケージ７を用いて固定される。また、下部電極５は、充電池８に接続されており、発生した電荷を充電池８に蓄積することができる。
【００１６】
本実施形態の電気エネルギー変換素子の動作原理は、以下のとおりである。まず、負に大きく帯電した物体を、帯電板１に接触させたり、接近させたりして、帯電板1を負に帯電させる。その結果、突起物２と上部電極３の間に、帯電量に応じた電界が生じ、ある電界強度に達したときに放電が起きる。
【００１７】
放電によって、突起物２の先端から高エネルギーの電子が放出されると、電子は上部電極３を突き抜け、半導体領域に達する過程で非弾性散乱を繰り返して、多数の電子正孔対を生成する。この過程において、高エネルギーの電子は、半導体のバンドギャップエネルギー程度の数ｅＶにエネルギーが下がるが、キャリア数が大幅に増加するため、電流量が大幅に増大する。電子と正孔は、拡散によってそれぞれ下部電極５、上部電極３、リード線を介して、充電池８に蓄積される。
【００１８】
電極はｐｎ接合素子全体を覆ってもよいが、ｐｎ接合素子への電界放出電子の到達効率を向上するために、櫛形電極のようにｐｎ接合素子の一部を露出させてもよい。その場合、ｐｎ接合素子の露出部分は、Ｓｉ酸化膜で覆っても良い。
【００１９】
また、上部電極３は、放電により負に帯電する結果、図１のようにｐｎ接合素子４の帯電板側がｐ型領域の場合、ｐｎ接合素子４に逆バイアス電圧がかかる。その結果、ｐｎ接合素子４内に生成した電子、正孔は効率的にそれぞれ下部電極５、上部電極３に到達するので、発電効率の向上が期待できる。ただし、ｐｎ接合素子４の帯電板側がｎ型領域の場合であっても、効率は低下するものの、本発明の電気エネルギー変換は可能である。
【００２０】
さらに、帯電板１または上部電極３に帯電する電圧を、制御回路などにより適切に保つことで、ｐｎ接合素子４や充電池８が最適に動作するようにできる。
【００２１】
（第２の実施形態）
本実施形態は、突起物にカーボンナノチューブを用いた電気エネルギー変換素子に関する。
【００２２】
図２にカーボンナノチューブからなる突起物を有する電気エネルギー変換素子の模式図を示す。第１の実施形態では、突起物の作製に機械加工を用いた。しかし、効率よく電界放出させるためには、先端の局率半径が小さく、高さ／直径のアスペクト比が大きくする必要がある。そこで、突起物にカーボンナノチューブを利用することで、変換効率を向上することができる。
【００２３】
帯電板１１は、例えば、厚さ５００μｍ、１０ｍｍ四方のモリブデン製である。突起物を作成する面には、例えば、エタノールに０．１重量％の鉄アセチルアセトナートを溶解した溶液を滴下し、スピンコートする。
【００２４】
次に、例えば、この帯電板１１をガラス管内に保持して、電気炉を用いて大気中４００℃で加熱処理し、炭素分を除去した後、真空中で８００℃に過熱した状態で、アルゴンで３０倍に希釈した水素を５分暴露すると、基板表面に鉄金属の触媒微粒子１２が生成する。そこに、例えば、１０ｔｏｒｒ程度のエタノール蒸気を流すと、基板に垂直方向に多層カーボンナノチューブが成長する。例えば、成長時間１０分のとき、約３００ｎｍ程度の長さの多層カーボンナノチューブ１３の成長を確認した。
【００２５】
この帯電板１１を、第１の実施形態の電気エネルギー変換素子と同様に、ｐｎ接合素子１４、セラミックパッケージ１５、充電池１６と組み合わせることで、よりエネルギー変換効率の高い電気エネルギー変換素子を得ることができる。
【００２６】
また、この方法で作製した多層カーボンナノチューブは、長さの均一性が高いために、素子面内での放電の分布に偏りが少なく、エネルギー変換効率に優れている。
【００２７】
また、この方法で作製した多層カーボンナノチューブは導電性であるが、さらに電気伝導度を高めるために、蒸着やメッキなどによって多層カーボンナノチューブを金属膜で覆うことが出来る。その結果、電気伝導度向上に加えて、突起物耐久性も向上することが出来る。
【００２８】
（第３の実施形態）
本実施形態は、突起物にリソグラフィによって形成された半導体ナノワイヤを用いた電気エネルギー変換素子に関する。
【００２９】
図３に、リソグラフィによって形成された半導体ナノワイヤからなる突起物を有する電気エネルギー変換素子の模式図を示す。帯電板２１は、例えば、厚さ５００μｍ、１辺１０ｍｍの高濃度ドープシリコン基板である。まず、この帯電板２１に、例えば、リフトオフプロセスを用いて厚さ５０ｎｍ、直径１００ｎｍの金のドットパターン２２を３００ｎｍのピッチで形成する。続いて、例えば、基板に酸素プラズマ処理を施し、余分な炭素樹脂分を除去した後、アルゴン雰囲気で４００℃に加熱する。さらに、例えば、Ｈｅで１０倍に希釈したシランガスを１０ｓｃｃｍ程度流すと、図３のように帯電板２１に金のドットパターン２２の直径程度のシリコンナノワイヤ２３が成長する。
【００３０】
この帯電板２１を、第１の実施形態の電気エネルギー変換素子と同様に、ｐｎ接合素子２４、セラミックパッケージ２５、充電池２６と組み合わせることで、よりエネルギー変換効率の高い電気エネルギー変換素子を得ることができる。
【００３１】
また、この方法で作製したシリコンナノワイヤは、長さの均一性が高いために、素子面内での放電の分布に偏りが少なく、エネルギー変換効率に優れている。
【００３２】
また、この方法で作製しシリコンナノワイヤは欠陥や不純物に起因した導電性を示すが、さらに電気伝導度を高めるために、蒸着やメッキなどによってシリコンナノワイヤを金属膜で覆うことが出来る。その結果、電気伝導度向上に加えて、突起物耐久性も向上することが出来る。
【００３３】
（第４の実施形態）
本実施形態は、突起物に自己形成された半導体ナノワイヤを用いた電気エネルギー変換素子に関する。
【００３４】
図４に、半導体ナノワイヤからなる突起物を有する電気エネルギー変換素子の模式図を示す。帯電板３１は、例えば、厚さ５００μｍ、一辺１０ｍｍの高濃度ドープシリコン基板である。まずこの帯電板３１に有機溶媒に分散させてある平均粒径１０ｎｍの金の触媒微粒子３２を塗布する。続いて、例えば、帯電板３１に酸素プラズマ処理を施し、余分な炭素樹脂分を除去した後、アルゴン雰囲気で４００℃に加熱する。さらに、例えば、Ｈｅで１０倍に希釈したシランガスを１０ｓｃｃｍ程度流すと、図４のように基板に金の触媒微粒子３２の直径程度のシリコンナノワイヤ３３が成長する。
【００３５】
この帯電板３１を、第１の実施形態の電気エネルギー変換素子と同様に、ｐｎ接合素子３４、セラミックパッケージ３５、充電池３６と組み合わせることで、よりエネルギー変換効率の高い電気エネルギー変換素子を得ることができる。
【００３６】
また、この方法で作製したシリコンナノワイヤは、長さ／直径のアスペクト比が大きく、より放電効率が高くなる。したがって、エネルギー変換効率に優れ、高電圧がかかることによる素子の損傷も低減する。
【００３７】
また、この方法で作製しシリコンナノワイヤも第三の実施形態と同様に金属膜で覆うと、電気伝導度向上、突起物耐久性向上をはかることが出来る。
【００３８】
（第５の実施形態）
本実施形態は、突起物を有する帯電板と、ｐｎ接合素子とを有する電気エネルギー変換素子で、放電に伴う発光のエネルギーをも電気エネルギーに変換できる素子に関する。本実施形態の電気エネルギー変換素子の構成を模式的に示す断面図を図５に示す。
【００３９】
帯電板４１には、第２から第４の実施形態で説明した突起物が付いていてもよい。ｐｎ接合素子４２には、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）などの光透過性の良好な導電性材料で上部電極４３を作製し、セラミックパッケージ４４を用いて固定されている。帯電板４１と透明上部電極４３との空隙４５には、Ａｒなどの不活性ガスを封入してもよい。
【００４０】
帯電板４１に負電荷を帯電させると、帯電板４１と透明上部電極４３との間で放電が起きる。高エネルギーの負電荷は、透明上部電極４３を突き抜け、ｐｎ接合素子４２に達し、非弾性散乱を経て電流として取り出される。また、放電に伴い発生する光子についても透明上部電極４３を透過し、ｐｎ接合素子４２内で電子正孔対を生成することによって電気エネルギーとして取り出すことができるため全体としての効率が向上する。
【００４１】
さらに、本発明の電気エネルギー変換素子では、発光部分が帯電板やセラミックパッケージで覆われているために、発光した光は、透過や反射、散乱などにより損失することなく、半導体素子で吸収される。
【００４２】
また、空隙４５に不活性ガスなどを封入することによって、放電によりプラズマが発生する。その結果、放電による突起物や上部電極、ｐｎ接合素子の損傷を低減することができる。さらに、帯電エネルギーは光子に変換され、半導体素子で再び電気エネルギーとして回収される。
【００４３】
このとき、不活性ガスの発光スペクトルに対応する波長に高い吸収を持つ半導体素子の材料を選ぶことができ、また逆に半導体素子の吸収特性に合わせた不活性ガスを選ぶこともできるため、より効率的な電気エネルギー変換素子の設計が可能となる。
【００４４】
（第６の実施形態）
本実施形態は、突起物を有する接地板と、この接地板と間隔を隔てて対向し、接地板側の電極を正に帯電させるｐｎ接合素子とを有する電気エネルギー変換素子に関する。図６は、本実施形態の電気エネルギー変換素子の構成を模式的に示す断面図である。
【００４５】
図１の第１の実施形態とは異なり、突起物５１を負に帯電させるのではなく、接地する。また、上部電極５３を帯電板５２により正に帯電させる。その結果、突起物５１と上部電極５３の間で放電が起こり、突起物５１からｐｎ接合素子５４に向けて、高エネルギーの電子が放射される。ｐｎ接合素子５４内での電子正孔対への変換等は、第１の実施形態と同様である。５５は下部電極、５６は充電池である。
【００４６】
この場合、ｐｎ接合素子５４のｎ型領域が上部電極５３側になるようにすると、正に帯電した上部電極５３ともう一方の下部電極５５との間の電圧が、ｐｎ接合素子５４に逆バイアスを与えるので、生成された多数の電子正孔対からなる電流を効率よく取り出すことが可能である。
【００４７】
突起物５１については、第２から第４の実施形態で述べた突起物を用いてもよい。さらに、第５の実施形態のように、不活性ガスを封入してもよい。
【００４８】
なお、第１から第６の実施形態において、電界放出を起こすためには、帯電板とｐｎ接合素子表面の間隔に反比例し、帯電板の帯電量に比例する電界強度がある一定値以上になる必要がある。したがって、効果的に電界強度を高めるための工夫として、間隔を狭くする方法と、多くの帯電量を得る方法を取ることができる。
【００４９】
加えて、帯電板のｐｎ接合素子と向き合う面に突起物を設けると、先端部に電荷が集中し、局所的な電界強度が上昇する。具体的には、先端の曲率半径が１μｍ以下の突起物を設けることで、局所電界強度増大の効果が得られ、より小さな帯電量で電界放出を起こすことができる。
【００５０】
また、突起物の密度を１本／ｍｍ2以上、好ましくは１００本／ｍｍ2とすることで、電界放出が起きる箇所を分散させることができる。その結果、電界放出が集中することによって特定の突起物の形状が劣化することを防ぐことができ、素子の寿命を延ばすことができる。
【００５１】
さらに、突起物の先端とｐｎ接合素子の間隔を誤差３０％以内に揃えることによって、電界効果が起きる箇所をさらに分散させることができるため、素子の寿命を延ばすことができる。
【００５２】
突起物として、多層カーボンナノチューブや、導電性ナノワイヤを用いる場合は、いずれも基板（帯電板）に垂直方向に配向させることができる。４５度以内の範囲で基板に垂直に配向させることによって、先端部分への電界集中を強くすることができ、さらに帯電板とｐｎ接合素子表面の間隔の誤差を小さくすることができるので、素子寿命を延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１の実施形態（突起物を負に帯電させる実施形態）の電気エネルギー変換素子の構成を模式的に示した断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態（突起物がカーボンナノチューブである実施形態）の電気エネルギー変換素子の構成を模式的に示した断面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態（突起物がリソグラフィで形成されたシリコンナノワイヤである実施形態）の電気エネルギー変換素子の構成を模式的に示した断面図である。
【図４】本発明の第４の実施形態（突起物が自己形成されたシリコンナノワイヤである実施形態）の電気エネルギー変換素子の構成を模式的に示した断面図である。
【図５】本発明の第５の実施形態（光電変換も行う実施形態）の電気エネルギー変換素子の構成を模式的に示した断面図である。
【図６】本発明の第６の実施形態（上部電極を正に帯電させる実施形態）の電気エネルギー変換素子の構成を模式的に示した断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１  帯電板
２  突起物
３  上部電極
４  ｐｎ接合素子
５  下部電極
６  空隙
７  セラミックパッケージ
８  充電池
１１  帯電板
１２  触媒微粒子
１３  カーボンナノチューブ
１４  ｐｎ接合素子
１５  セラミックパッケージ
１６  充電池
２１  帯電板
２２  ドットパターン
２３  シリコンナノワイヤ
２４  ｐｎ接合素子
２５  セラミックパッケージ
２６  充電池
３１  帯電板
３２  触媒微粒子
３３  シリコンナノワイヤ
３４  ｐｎ接合素子
３５  セラミックパッケージ
３６  充電池
４１  帯電板
４２  ｐｎ接合素子
４３  透明上部電極
４４  セラミックパッケージ
４５  不活性ガス
４６  充電池
５１  突起物
５２  帯電板
５３  上部電極
５４  ｐｎ接合素子
５５  下部電極
５６  充電池
【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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