Radiación beta

β - radiación (protones rojos, neutrones azules)
radiación β +

La radiación beta o radiación beta es una radiación ionizante que se produce durante la desintegración radiactiva , la desintegración beta o la transición beta . El núcleo atómico de un emisor beta se transforma en un núcleo atómico de otro elemento químico . En el caso de una β - desintegración (pronunciado: minus beta) este es el elemento con el siguiente mayor número atómico , en el caso de una β + decaimiento (pronunciado: beta plus) el elemento con la siguiente inferior. El núcleo atómico radiante se llama nucleido madre, el nucleido hijo resultante .

La radiación beta es una radiación de partículas y consta de las llamadas partículas beta . En el caso de la radiación β - estos son electrones cargados negativamente , en el caso de la radiación β + son positrones cargados positivamente . Además de la partícula beta, se libera un antineutrino electrónico en caso de desintegración β - y un neutrino electrónico en caso de desintegración β + . Como regla general, estas partículas no se pueden detectar y no se cuentan como radiación beta. Además, con cada desintegración beta se libera radiación electromagnética de baja energía . A diferencia de la radiación alfa , la energía cinética de las partículas beta emitidas puede asumir cualquier valor desde casi cero hasta una energía máxima. La energía máxima típica de la radiación beta está en el rango de cientos de kiloelectronvoltios a unos pocos megaelectronvoltios y depende de la desintegración específica.

El nombre proviene de la primera división de los rayos ionizantes de la desintegración radiactiva en rayos alfa, rayos beta y rayos gamma , que en este orden muestran una permeabilidad creciente de la materia.

Aparición

Diagrama de Feynman para la desintegración de un neutrón  n en un protón  p , electrón  e - y electrón antineutrino  mediado a través de un bosón W W - . 

Desintegración beta de núcleos atómicos

La desintegración beta es el tipo de desintegración radiactiva de los núcleos atómicos . En el caso de una β - descomposición, un neutral de neutrones en el núcleo atómico se transforma en una carga positiva de protones . De acuerdo con la conservación de la carga , este proceso crea un electrón cargado negativamente y, de acuerdo con la conservación del número de leptones, un electrón antineutrino adicional. Durante la desintegración β + , un protón se transforma en un neutrón y se crean un positrón y un neutrino electrónico. En ambos procesos de desintegración, el núcleo se convierte en un núcleo atómico que tiene el mismo número de masa , pero modificado por un número atómico en orden. El núcleo resultante (núcleo hijo) es casi tan pesado como el núcleo padre, porque los protones y neutrones tienen masas similares y el defecto de masa de ambos núcleos es similar. El núcleo hijo, sin embargo, pertenece a un elemento químico diferente. Estos núcleos atómicos se denominan isobaras .

La desintegración beta es posible si la masa atómica del nucleido padre es mayor que la suma de la masa atómica del nucleido hijo y la masa de la partícula beta, ya que entonces se puede liberar la diferencia de masas según la equivalencia de masa y energía de Einstein. como energía cinética de las partículas. Si las isobaras son más claras en ambas direcciones de la tabla periódica, entonces una partícula puede descomponerse tanto en β - como en β + . Esto ocurre, por ejemplo, con el potasio -40, que puede descomponerse en calcio -40 y argón -40. Debido a la conservación de la energía y el momento (ver cinemática (procesos de partículas) ), la partícula beta ligera y el (anti) neutrino casi sin masa reciben la gran mayoría de la energía. Con el núcleo secundario pesado, solo queda una proporción muy pequeña de unos pocos eV.

En los primeros días de la física nuclear, la observación de los electrones beta condujo temporalmente a la falsa conclusión de que los electrones eran parte del núcleo atómico. Sin embargo, según los conocimientos actuales, las dos partículas emitidas solo se generan en el momento de la transformación nuclear.

La teoría describe la desintegración beta como un proceso de interacción débil . Durante la β - decaimiento, uno de los d-quarks de neutrón ( ) se transforma en un u-quark y un W - Higgs través de la interacción débil a nivel de las partículas elementales . El neutrón se convierte en un protón ( ), mientras que el propio bosón W se desintegra en un electrón y un antineutrino debido a una interacción débil. Por el contrario, en el caso de la desintegración β + , uno de los quarks u de un protón se convierte en un quark d por medio de un bosón W + .

Gráfico de nucleidos con modos de desintegración radiactiva:
negro = estable,
rosa = β - desintegración debido al excedente de neutrones ,
azul = EC o β + desintegración debido al exceso de protones ,
amarillo = desintegración alfa

El hecho de que los rayos beta menos sean en realidad el mismo tipo de partícula que los electrones en la capa atómica se demuestra por su interacción con la materia. El principio de Pauli , que solo se aplica a partículas idénticas, evita que el electrón quede atrapado en estados ya ocupados de un átomo neutro después de haber sido desacelerado. En realidad, esta captura nunca se ha observado con rayos beta-menos, mientras que para otras partículas cargadas negativamente, por ejemplo , los muones , esta captura no está prohibida y también se observa.

Decaimiento beta menos (β - )

Nucleidos con un exceso de neutrones decaen a través de la β - proceso. Un neutrón en el núcleo se transforma en un protón y envía un electrón ( ) y un electrón antineutrino ( ). El electrón y el antineutrino abandonan el núcleo atómico porque son leptones y no están sujetos a la interacción fuerte . Dado que hay un neutrón menos pero un protón más en el núcleo después del proceso de desintegración, el número de masa permanece sin cambios mientras que el número atómico aumenta en 1. Entonces el elemento entra en su sucesor en la tabla periódica .

Si escribe números de masa en la parte superior y números de carga atómica en la parte inferior de los símbolos como de costumbre , la desintegración del neutrón se puede describir mediante la siguiente fórmula:

Si X denota la madre nucleido e Y el nucleido hijo , la siguiente generalmente se aplica a la β - decaimiento:

A β típico - radiador es 198 Au . Aquí la conversión a notación de fórmula es:

La energía generalmente alta del electrón generado evita una captura inmediata en uno de los estados libres elevados del mismo átomo. Sin embargo, especialmente con iones pesados ​​altamente cargados, puede tener lugar una transición a dicho estado ligado, este proceso se denomina desintegración beta ligado.

La energía de transformación o desintegración es:

En la literatura sobre espectroscopia de desintegración beta, esta desintegración también se llamaba anteriormente desintegración de negatrón ("negatrón" para electrón).

Beta más decaimiento (β + )

La desintegración β + ocurre en nucleidos ricos en protones. Aquí, un protón del núcleo se convierte en un neutrón. Se emite un neutrino electrónico junto con un positrón (radiación de positrones). Al igual que con β - descomposición, el número de masa se mantiene sin cambios, pero el número atómico se reduce en 1, por lo que el elemento se transfiere a su predecesor en la tabla periódica.

La fórmula para convertir el protón en neutrón es:

Con las mismas notaciones que antes, la decadencia β + general se puede describir como:

La desintegración beta-plus solo puede ocurrir si la energía de transición de la transición es de al menos 1022 keV. Esto es el doble de la energía en reposo de un electrón o positrón, porque el positrón tiene que ser generado, y la energía de conversión también se define como la diferencia de masa entre el átomo inicial (número atómico Z) y el átomo final (número atómico Z-1 ), que se supone que son neutrales; el átomo final tiene un electrón menos que el átomo inicial. La energía de transformación o desintegración es:

con la masa del electrón.

El nucleido primordial más común en el que (entre otras cosas) ocurre la desintegración β + es el potasio-40 ( 40 K ), pero la desintegración es muy rara. Aquí está la fórmula:

Captura de electrones (ε)

Un proceso que compite con la desintegración β + es la captura de electrones (también llamada desintegración ε (épsilon) o captura de K). Se cuenta entre las desintegraciones beta, aunque no se produce radiación beta. Aquí, también, un protón en el núcleo se convierte en un neutrón, mientras que un electrón de una capa cerca del núcleo de la capa atómica se destruye y se genera y emite un neutrino:

El "espacio" creado en la capa atómica conduce a la emisión de un fotón de rayos X característico o la emisión de electrones Auger .

La captura de electrones se produce como un canal de desintegración adicional para cada emisor β + . Es el único canal de desintegración cuando la energía de transformación de la transición es inferior a 1022 keV. La captura de electrones no requiere una energía mínima, solo la energía en reposo del átomo radionúclido debe ser mayor que la del átomo hijo.

La captura de electrones también prueba que los electrones de capa y los electrones beta son el mismo tipo de partícula.

El nombre de captura de K proviene del hecho de que, por lo general, se captura un electrón de la capa de K.

Decaimiento del neutrón libre

Un neutrón libre también está sujeto a desintegración beta-menos . Se convierte en un protón, un electrón antineutrino y un electrón que puede detectarse como radiación beta:

La vida útil de esta desintegración es de 880,3 ± 1,1 segundos, es decir, poco menos de 15 minutos. Esto corresponde a una vida media de alrededor de 10 minutos. En un entorno normal en la tierra (por ejemplo, en el aire), cada neutrón liberado es capturado por un núcleo atómico en un tiempo mucho más corto; por lo tanto, esta descomposición no juega un papel práctico aquí.

Decaimiento beta inverso

En la desintegración beta inversa (IBD), un protón se convierte en un neutrón al reaccionar con un neutrino:

Con este proceso se logró la primera detección de neutrinos en 1959 ( experimento de Cowan-Reines-Neutrino ) y en detectores de neutrinos posteriores (especialmente en experimentos con neutrinos de baja energía como experimentos con reactor y geoneutrinos, sobre oscilaciones de neutrinos y para la búsqueda de neutrinos estériles). neutrinos ). Para este proceso es necesaria una energía mínima del antineutrino de 1,806 MeV. En los experimentos típicos de neutrinos, el positrón conduce a la aniquilación con un electrón, lo que conduce a un fotón con energía keV; generó el neutrón, después de la moderación en z. B. el agua, cuando es capturada por un núcleo atómico adecuado (como el cadmio -113) retrasa una radiación gamma de energía característica para la aniquilación electrón-positrón.

El proceso de reacción correspondiente a la captura de electrones también se conoce como desintegración beta inversa :

Desempeña un papel en la astrofísica con materia de alta densidad (estrellas de neutrones, enanas blancas).

Espectro de energía

A diferencia de la radiación alfa, la distribución de energía de la radiación beta ( espectro beta ) es continua, ya que la energía liberada durante la desintegración no se distribuye en dos, sino en tres partículas: núcleo atómico, electrón / positrón y antineutrino / neutrino. Mientras se mantiene el impulso general, las energías de las partículas individuales no son fijas (ver cinemática (procesos de partículas) ).

Espectro de electrones beta de 210 Bi: Representado (en unidades arbitrarias) es el número de electrones por intervalo de energía en función de la energía cinética con la que el electrón salió del átomo. Como resultado de la atracción eléctrica, esta es algo menor que la energía que tendría el electrón si el núcleo no estuviera cargado ( desplazamiento de Coulomb ).

La figura muestra un espectro de electrones medido simple. Los espectros más complejos ocurren cuando las transiciones beta a diferentes niveles de energía del núcleo hijo se superponen.

Ejemplos de energías beta más altas
isótopo Energía
( keV )
Decaer Observaciones
neutrón libre
0782,33 β -
003 H
(tritio)
0018.59 β - En el experimento KATRIN se utiliza la segunda β más baja conocida , la energía máxima .
011 C 0960,4
1982,4
β +
ε+
014 C 0156.475 β -
020 F 5390.86 β -
037 K 5125.48
6147.48
β +
ε+
163 Ho 0002.555 ε+
187 Re 0002,467 β - Bajo β conocida - -Höchstenergie debe, en el experimento MARE ser utilizado
210 bi 1162.2 β -

Nota:
En las tablas, a menudo se da la energía de transición total en el estado fundamental del nucleido hijo. Esto puede contener radiación gamma posterior y / o la energía en reposo de un par electrón-positrón.

Electrones de conversión

Las mediciones de la distribución de energía de los electrones de la radiación beta a menudo dan como resultado espectros que contienen líneas nítidas ( picos ) además del amplio continuo . Estos son electrones que se emitieron desde la capa a través de la conversión interna de un estado nuclear excitado. Esta parte del espectro solía llamarse espectro beta discreto , aunque no tiene nada que ver con la desintegración beta real .

Masa de neutrinos

La forma del espectro en las proximidades de la energía máxima de electrones o positrones proporciona información sobre la masa aún desconocida del neutrino o antineutrino electrónico . Para hacer esto, el extremo de alta energía (el último 1 a 2 eV) de un espectro beta debe medirse con un grado muy alto de precisión. Un final abrupto en contraposición a una disminución continua en la energía máxima mostraría una masa de neutrinos distinta de cero, como se espera en base a las oscilaciones de neutrinos , y su valor podría determinarse. La medición se lleva a cabo preferiblemente durante la desintegración beta de nucleidos con baja energía de desintegración como el tritio (experimento KATRIN ) o el renio-187 (experimento MARE).

Bremsstrahlung interior

En el caso de una desintegración beta, las partículas cargadas eléctricamente se aceleran, por lo que la radiación electromagnética se produce en forma de bremsstrahlung . Para distinguirlo de la bremsstrahlung, que surge cuando las partículas beta son frenadas en la materia, esta forma se llama bremsstrahlung interna. Aston lo describió por primera vez en 1927. Wang Chang y Falkoff dieron un tratamiento teórico en 1949. La intensidad de la bremsstrahlung interna es independiente de la frecuencia hasta una frecuencia máxima que se deriva de la ley de conservación de la energía. Su polarización se encuentra en el plano de la dirección de vuelo de la partícula beta y la dirección de observación, su energía está en la aproximación clásica.

con la estructura fina constante , la velocidad de la luz , la masa del electrón y la velocidad de la partícula beta . El tamaño también se llama rapidez . Para las partículas beta lentas, esta pérdida de energía es insignificante. Para partículas beta de alta energía, la fórmula puede pasar por

puede aproximarse con la energía de la partícula beta . Incluso para partículas de alta energía con una energía de 5 MeV, la pérdida debida a la radiación es solo del orden del uno por ciento.

La distribución angular de esta bremsstrahlung interna es a través de

dada y es idéntica a la distribución angular de bremsstrahlung externo.

Cuando se capturan electrones, se libera radiación debido a la desaparición de la carga eléctrica y al momento magnético del electrón. Esto no se puede describir en una teoría clásica. Martin y Glauber proporcionaron una explicación en 1957. El tratamiento semiclásico del problema da como resultado la distribución diferencial de intensidad

con el cuanto de acción de Planck reducido , el número atómico , la frecuencia característica de la transición con la energía de Rydberg y la energía total liberada de la captura de electrones . El primer término proviene de la carga eléctrica, el segundo del momento magnético.

En esta aproximación, un polo (que no se puede integrar) ocurre en. Esto se puede explicar por el enfoque semiclásico de que el electrón está en una órbita circular alrededor del núcleo atómico: Clásicamente, el electrón emitiría constantemente radiación de sincrotrón en esta órbita circular .

polarización

La radiación beta tiene polarización de giro longitudinal en su dirección de emisión , es decir , las partículas β rápidas tienen una polarización opuesta a la dirección de vuelo (claramente: se mueven como un tornillo a la izquierda), las partículas β + rápidas tienen una polarización en la dirección de vuelo . Ésta es una propiedad fundamentalmente interesante de la interacción débil, ya que demuestra el no mantenimiento de la paridad . Sin embargo, prácticamente no juega ningún papel en los efectos y aplicaciones de la radiación.

Interacción con la materia

Cuando las partículas beta penetran en un material, la transferencia de energía al material y la ionización tienen lugar en una capa cercana a la superficie que corresponde a la profundidad de penetración de las partículas.

Si la partícula que penetra es un positrón ( partícula β + ), muy pronto se encontrará con un electrón, es decir, su antipartícula . Esto conduce a la aniquilación , de la cual (en su mayoría) surgen dos fotones en el rango gamma .

Efecto biologico

Si el cuerpo humano está expuesto a los rayos beta del exterior, solo se dañan las capas de la piel. Sin embargo, puede haber quemaduras intensas y los efectos a largo plazo resultantes, como el cáncer de piel . Si los ojos se exponen a la radiación, el cristalino puede volverse turbio .

Si los emisores beta se absorben ( incorporan ) en el cuerpo, pueden producirse niveles altos de radiación en las proximidades del emisor. El cáncer de tiroides está bien documentado como resultado del yodo radiactivo -131 ( 131 I), que se acumula en la glándula tiroides . También hay temores en la literatura de que el estroncio -90 ( 90 Sr) pueda provocar cáncer de huesos y leucemia porque el estroncio, como el calcio, se acumula en los huesos.

Protección de radiación

Los rayos beta se pueden proteger bien con un absorbente de unos pocos milímetros de espesor (por ejemplo, una lámina de aluminio ) . Sin embargo, parte de la energía de las partículas beta se convierte en la radiación de frenado de rayos X . Para reducir esta proporción, el material de protección debe tener átomos lo más ligeros posible, es decir , tener un número atómico bajo . Detrás de él, un segundo absorbedor de metales pesados puede proteger la bremsstrahlung.

Rango máximo de partículas β de diferentes energías en diferentes materiales
nucleido energía aire Plexiglás vidrio
187 Re 2,5 keV 1 cm
3 H. 19 , 0 keV 8 cm
14 C 156 , 0 keV 65 cm
35 p 167 , 0 keV 70 cm
131 I. 600 , 0 keV 250 cm 2,6 milímetros
32 P 1710 , 0 keV 710 cm 7,2 mm 4 mm

Se puede determinar un rango máximo dependiente del material para los emisores β , porque las partículas β emiten su energía (como las partículas alfa ) en muchas colisiones individuales con los electrones atómicos; por tanto, la radiación no se atenúa exponencialmente como la radiación gamma . La selección de materiales de protección resulta de este conocimiento. Para algunos de los emisores β ampliamente utilizados en la investigación, los rangos en aire, plexiglás y vidrio se calculan en la tabla de la derecha. Una pantalla de plexiglás de 1 cm de espesor puede proporcionar una pantalla confiable con las energías especificadas.

En el caso de la radiación β + , debe tenerse en cuenta que las partículas β + se aniquilan con los electrones (ver más arriba), por lo que se liberan fotones. Estos tienen energías de alrededor de 511 keV (correspondientes a la masa del electrón) y, por lo tanto, están en el rango de radiación gamma.

Aplicaciones

En medicina nuclear , los emisores beta (por ejemplo, 131 I, 90 Y) se utilizan en la terapia con radionúclidos . En el diagnóstico de medicina nuclear, los emisores β + 18 F, 11 C, 13 N y 15 O se utilizan en la tomografía por emisión de positrones como marcador radiactivo para los trazadores . Se evalúa la radiación resultante de la aniquilación de la pareja .

En radioterapia , los emisores beta (por ejemplo, 90 Sr, 106 Ru) se utilizan en braquiterapia .

Los rayos beta también se utilizan, además de los rayos X y los rayos gamma , en la esterilización por radiación .

La medición radiométrica de polvo , un método para la medición de polvos transportados por gases, utiliza la absorción de rayos beta. 14 C y 85 Kr , por ejemplo, se utilizan como fuentes de radiación .

Transiciones de desintegración beta en núcleos

Se distingue en las desintegraciones beta en los núcleos de las desintegraciones de Fermi, en las que los espines de las partículas emitidas (electrón y antineutrino o positrón y neutrino) son antiparalelos y acoplados, y las transiciones Gamow-Teller, en las que los espines están acoplados. El momento angular total de los núcleos no cambia con las transiciones de Fermi ( ), con las transiciones de Gamow-Teller cambia . Se prohíbe una transición en espín nuclear de a en la transición Gamow-Teller. Tales transiciones (en la que sólo los contribuye de transición de Fermi) también se conocen como súper -allowed.

Los dos tipos de transición corresponden a términos en el operador de Hamilton de

en la transición de Fermi y

en la transición Gamow-Teller

Aquí están las matrices de Pauli, el operador de espín y los isospinoperadores (provoca la transición de protón a neutrón y viceversa) y el operador unitario en el espacio de giro. es la constante de acoplamiento vectorial de la interacción débil (también constante de acoplamiento de Fermi), la constante de acoplamiento vectorial axial (también constante de acoplamiento Gamow-Teller). Las desintegraciones de Fermi fueron descritas en la década de 1930 por una teoría efectiva de la interacción débil de Enrico Fermi , unos años más tarde George Gamow y Edward Teller agregaron un término de vector axial .

En el caso de las desintegraciones beta en los núcleos, también pueden ocurrir mezclas de transiciones de Fermi y Gamow-Teller si el núcleo inicial puede desintegrarse al estado fundamental y otra vez a un estado excitado.

Las transiciones con momento angular orbital de las partículas emitidas distintas de cero son menos probables y se denominan obstaculizadas (con diferentes grados según el momento angular orbital). Dependiendo del valor de , la paridad ( ) o no cambia. Con transiciones simples de Fermi y Gamow-Teller con , la paridad no cambia. Esto distingue las transiciones Gamow-Teller de sus análogas en las transiciones dipolo electromagnéticas (el operador hay un vector polar y no axial, la paridad cambia).

Historia de la investigación

En 1903, Ernest Rutherford y Frederick Soddy desarrollaron una hipótesis según la cual la radiactividad, descubierta por Antoine Henri Becquerel en 1896 , está vinculada a la conversión de elementos . La desintegración beta se identificó como la fuente de radiación beta. Basándose en esto, Kasimir Fajans y Soddy formularon los llamados teoremas del desplazamiento radiactivo en 1913 , con los que las series de desintegraciones naturales se explican por desintegraciones alfa y beta sucesivas . La idea de que los propios electrones beta, como las partículas alfa, procedían del núcleo, se solidificó en el círculo de Ernest Rutherford en 1913.

En los primeros días, hubo un consenso generalizado de que las partículas beta, como las partículas alfa, tienen un espectro discreto que es característico de cada elemento radiactivo. Los experimentos de Lise Meitner , Otto Hahn y Otto von Baeyer con placas fotográficas como detectores, que fueron publicados en 1911 y los años siguientes, así como los experimentos mejorados de Jean Danysz en París en 1913 mostraron un espectro más complejo con algunas anomalías (especialmente con radio E, es decir, 210 Bi ), que indica un espectro continuo de partículas beta. Como la mayoría de sus colegas, Meitner inicialmente consideró que esto era un efecto secundario, es decir, no una característica de los electrones originalmente emitidos. No fue hasta los experimentos de James Chadwick en el laboratorio de Hans Geiger en Berlín en 1914 con un espectrómetro magnético y tubos contadores como detectores que el espectro continuo fue una característica de los propios electrones beta.

Para explicar esta aparente falta de conservación de energía (y una violación de la conservación de la cantidad de movimiento y la cantidad de movimiento angular ), Wolfgang Pauli sugirió en una carta en 1930 que una partícula elemental neutra y extremadamente ligera debería participar en el proceso de desintegración, que él llamado "Neutrón". Enrico Fermi cambió este nombre a neutrino (italiano para "pequeño neutro") en 1931 , para distinguirlo del neutrón mucho más pesado, que fue descubierto casi al mismo tiempo. En 1933, Fermi publicó la descripción teórica de la desintegración beta como una interacción de cuatro partículas ( interacción de Fermi ). La primera prueba experimental del neutrino solo se logró en 1956 en uno de los primeros grandes reactores nucleares (ver el experimento de Cowan-Reines-Neutrino ).

La identidad de las partículas beta con los electrones atómicos fue probada en 1948 por Maurice Goldhaber y Gertrude Scharff-Goldhaber . La desintegración β + fue descubierta por Irène y Frédéric Joliot-Curie en 1934 . La captura de electrones fue teóricamente predicha por Hideki Yukawa en 1935 y demostrada experimentalmente por primera vez en 1937 por Luis Walter Alvarez .

En 1956, un experimento llevado a cabo por Chien-Shiung Wu logró demostrar la violación de la paridad en la desintegración beta postulada poco antes por Tsung-Dao Lee y Chen Ning Yang .

Rayos de electrones artificiales

Ocasionalmente, los electrones libres que se generan artificialmente (por ejemplo, mediante un cátodo caliente ) y se llevan a alta energía en un acelerador de partículas también se denominan inexactamente radiación beta. El nombre del tipo de acelerador de electrones Betatron también lo indica.

Ver también

literatura

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Física nuclear

Historia de la investigación

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Protección de radiación

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medicamento

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enlaces web

Wikcionario: Radiación beta  - explicaciones de significados, orígenes de palabras, sinónimos, traducciones

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