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Elektrische wandstabilisierte Edelgas-Hochdruck-Entladungslampe
Die Erfindung bezieht sich auf Edelgas-Hochdruck-Entladungslampen für stationären Betrieb, insbe- sondere Xenon-Entladungslampen, deren Entladungsbogen durch den Einfluss der Wandung des Entladungs- gefässesstabilisiertistund deren Elektrodenabstand ein Mehrfaches des Durchmessers des Entladungsgefä- sses beträgt.
Als wandstabilisiert ist eine Bogenentladung dann zu bezeichnen, wenn keine Konvektionserscheinungen vorhanden sind. Der Bogen füllt in diesem Falle bis auf eine Randzone, die durch den Temperaturabfall des Plasmas zur Gefässwandung hin zu erklären ist, den ganzen Querschnitt des Entladungsgefä- sses aus. Die Daten des Bogens können dann durch Integration der Elenbaas-Hellerschen Differentialgleichung und mit Hilfe der Theorie der elektrischen Leitfähigkeit, der Wärmeleitfähigkeit und der Strahlung berechnet werden.
Bisher wurden bei der praktischen Verwirklichung von wandstabilisierten Edelgas-Hochdruck-Langbogenlampe, insbesondere Xenon-Lampen, bei stationärem Betrieb zur Erzielung einer für hohe Lichtausbeuten genügend hohen Gastemperatur derartige Leistungskonzentrationen im Plasma und Wandbelastungen vorgesehen, dass nur durch künstliche Kühlung, z. B. durch Wasser, ein Schmelzen des dabei als Kolbenmaterial verwendeten Quarzglases verhindert werden konnte. Derartige Xenon-Hochdruck-Entladungslampen sind unter der Typenbezeichnung XBF-Lampen im Handel bekannt geworden. Sie zeichnen sich durch eine Lichtausbeute von 35 Im/W und durch ruhiges Brennen aus. Sie lassen sich auch als Lampen hoher Leistungsaufnahme bauen. Die Notwendigkeit der Wasserkühlung verteuert aber die Herstellung der Lampen und beschränkt sie in ihrer Verwendung.
Diejenigen bisher bekannten Edelgas-Hochdruck-Entladungslampen, die ohne künstliche Kühlung auskommen, insbesondere nur mit Kühlung infolge natürlicher Luftkonvektion, wurden bisher nie als wandstabilisierte Lampen niedrigen Füll-bzw. Betriebsdruckes ausgeführt. Bekannt sind beispielsweise die luftgekühlten Kurzbogenlampen mit einem grossen Kolben- und dagegen sehr kleinem Bogendurchmesser und damit verbundener hoher Leistungskonzentration, bei der es wegen der begrenzten Temperaturfestigkeit des Quarzglases unmöglich ist, die Wandung des Kolbens dem Bogen so weit zu nähern, wie es zu einer stabilisierenden Wirkung desselben erforderlich wäre. Auch eine langgestreckte Xenon-Hochdruck-Entladungslampe ohne künstliche Kühlung mit geringerer Leistung, z.
B. 1 kW, ist bekannt, bei der aber der Bogen auch nur einen geringen Teil des Gefässquerschnittes ausfüllt ; sie kann nicht als wandstabilisiert im obigen Sinne angesehen werden, sondern ist konvektionsbestimmt. Ihr Kaltdruck ist mit 600 Torr verhältnismässig hoch. Bei einer weiteren Ausführung einer luftgekühlten Xenon-Lampe wird die Stabilisierung des Bogens durch mehrere im Entladungsweg vorhandene Blenden mit zentraler Öffnung erreicht. In andern Fällen wird die Stabilisierung durch von aussen angelegte magnetische Felder bewirkt. Alle diese Lampen ohne künstliche Kühlung wurden bisher mit einer Gasfüllung von verhältnismässig hohem Druck versehen, um eine möglichst hohe elektrische Leistung pro Volumeneinheit und damit eine möglichst hohe Temperatur und hohe Lichtausbeute zu erzielen.
Die Edelgas-Hochdruck-Entladungslampen nach der Erfindung mit einem Elektrodenabstand, der mindestens das Doppelte des lichten Rohrdurchmessers beträgt, sind wandstabilisiert, wie sowohl Experiment als auch Theorie bestätigen ; sie haben bei Fortfall jeglicher künstlicher Kühlung des Entladungs-
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rohres nur eine mittlere Leistungskonzentration in der Entladung, die bei Verwendung von Quarzglas als
Kolbenmaterial etwa zwischen 5 und 200 W/cm* liegt, und weisen einen auf eine L mpe ohne Totraum reduzierten Fülldruck des Gases oder der Gase zwischen 5 und 350 Torr auf.
Die Leistungskonzentration ist um mindestens eine Grössenordnung niedriger als die der bisher bekannten künstlich gekühlten Lampen. Dies ergibt sich aus der geringeren Wärmeabfuhr von der Kolbenoberfläche infolge des Fehlens der künstlichen Kühlung. Entscheidend, ist bei diesen Lampen nach der Erfindung, dass bei den erforderlichen geringen LeistungskonzentrÅationen zugleich die Drucke niedrig sein müssen, damit die Bögen nicht konvektionsgestört, sondern wandstabilisiert brennen. Der niedrige Druck ermöglicht weiterhin die Erreichung noch hinreichend hoher Gastemperaturen. Diese Tatsache wird qualitativ verständlich, wenn beachtet wird, dass das Abstrahlungsvermögen eines Bogens mit fallendem Druck (bei festgehaltener Temperatur) sinkt, da die Zahl der strahlenden Atome mit fallendem Druck bei gleichbleibender Temperatur sich vermindert.
Mithin muss der Bogen für eine aufgeprägte elektrische Leistung bei niedrigem Druck eine höhere Temperatur einstellen als bei höherem Druck, wenn nur durch entsprechende Dimensionierung des Bogendurchmessers dafür gesorgt wird, dass nicht etwa die bei niedrigem Druck erhöhte Wärmeleitung die Temperaturerhöhung völlig unwirksam macht. Erst quantitative Berechnungen erfassen die funktionellen Zusammenhänge zwischen Leistungskonzentration, Fülldruck.
Strahlungsleistung und Wärmeverlusten, während einfache qualitative Überlegungen keine genauen Aussagen gestatten.
Bei Verwendung der niedrigen Fülldruck auf dem Gebiet der Edelgas-Hochdruckentladung, z. B. mit Xenon, könnte man befürchten, dass kein thermisches Gleichgewicht mehr vorhanden sei, die Entladungen mithin kein kräftiges Kontinuum und damit keine genügende Lichtausbeute zeigen würden. Diese Vermutung liegt nahe wegen der kleinen Wirkungsquerschnitte der Xenonatome gegenüber Elektronenstoss. Tatsächlich ist jedoch das thermische Gleichgewicht auch bei diesen Drucken noch vorhanden, wenn noch hinreichend hohe Stromstärken angewendet werden. Der Grund hiefür ist in den weitreichenden Coulomb-Feldern der Ionen zu suchen, die die notwendige Kopplung zwischen Elektronengas und Trägergas herbeiführen.
Es handelt sich daher bei den Lampen nach der Erfindung mit niedriger Leistungskonzentration um Entladungslampen mit echtem Hochdruckcharakter. wie das kräftige Kontinuum erkennen lässt, d. h. die Gastemperatur bleibt nur wenig hinter der Elektronentemperatur zurück. Selbst bei den tiefsten verwendeten Drucken besteht, wie Berechnungen zeigen, nur eine geringe Differenz (etwa 1500) zwischen Elektronen- und Gastemperatur. Bei einer Niederdruckentladung liegt dagegen die Elektronentemperatur mindestens um eine Zehnerpotenz höher als die Temperatur des Gases. Beispielsweise beträgt die mittlere Gastemperatur in einer wandstabilisierten, stationär brennenden Xenon-Hochdruck-Entladung 6500 - 9000 K, während die Elektronentemperatur etwa um 1000 höher liegt.
Dagegen ist die Differenz bei einer Niederdruck-Entladung 1000 - 100000.
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druck-Entladungslampen dar. Die oben angegebenen Fülldruck gelten streng genommen für Entladungsgefässe ohne Totraum. Ein Totraum muss. zur Erzielung gleicher Lampeneigenschaften insbesondere nattirlich bei grossem Anteil des Totvolumens am Gesamtvolumen bei der Fülldruckbestimmung berücksichtigt werden.
Der tatsächliche FUlldruck PF ergibt sich dann aus dem auf eine Lampe ohne Totraum mit gleichen Eigenschaften reduzierten Fülldruck PF red durch folgende Beziehung :
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Dabei sind Vges das Volumen des gesamten Entladungsgefässes, (V T) n das des n-ten Totraumes und die Faktoren an = 7 -. *-l ; die an berücksichtigen also den Unterschied zwischen der mittleren Tempera- (TT) n tur in der Entladung, TE, und der Gastemperatur im jeweiligen Totraum (Tn (alle Temperaturen in K).
Bei den hier zur Anwendung kommenden niedrigen FUlldrucken von weniger als 350 Torr, vorzugsweise 20 - 200 Torr, liegt der Betriebsdruck, wie sich aus der nach Elenbaas-Heller berechneten Temperaturverteilung ergibt, etwa zwischen 1/10 und 4 Atmosphären, bedingt durch den Unterschied zwischen Raum- und Plasmatemperatur. Die Lampen sind bei den niedrigen Füll-und Betriebsdrucken wandstabilisiert. Bei höheren Drucken wird der Entladungsbogen eingeschnürt ; er brennt nicht mehr wandstabilisier, sondern ist konvektionsgestört. Die Betriebsweise der Lampe wird dann im allgemeinen lageabhängig. Die obere Druckgrenze ist abhängig vom Kolbendurchmesser, sie steigt mit abnehmendem
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Durchmesser an.
Die untere Grenze für wandstabilisierte Entladungen ist durch die Forderung des thermi- schen Gleichgewichtes im Plasma gegeben.
Innerhalb des Druckbereiches, der bei den Lampen nach der Erfindung zur Anwendung kommt, ist für konstante Wandbelastung und unter sonst gleichbleibenden Bedingungen die Lichtausbeute, wie die
Untersuchungen ergeben haben, in weiten Bereichen vom Druck nahezu unabhängig. Dies wird verständ- lich durch das Ansteigen der Plasmatemperatur bei fallendem Druck, wie schon oben näher erklärt ist.
Hiedurch würde die Lichtausbeute verbessert, da die kontinuierliche Strahlung bei steigender Temperatur stärker ansteigt als die meist ausserhalb des sichtbaren Bereichs liegende Linienstrahlung. Gleichzeitig aber erhöht sich mit fallendem Druck der Wärmeleitungskoeffizient, wie durch theoretische Untersuchun- gen bewiesen werden kann, und damit der Verlust durch Wärmeleitung. Durch die Gegenläufigkeit dieser beiden Faktoren verläuft die Lichtausbeute in einem nennenswerten Bereich vom Druck ziemlich unab- hängig. Im wesentlichen ist die Lichtausbeute bei konstanter Wandbelastung durch die Bogenleistung je
Zentimeter Länge gegeben.
Eine bestimmte Bogenleistung je Zentimeter kann nach den vorstehenden
Ausführungen somit erreicht werden
1. in der bisher üblichen Weise durch hohe Drucke, d. h. hohen Gradienten, geringe Stromstärke, kleinen Entladungsquerschnitt, hohe Leistungskonzentration und Stabilisierung durch zusätzliche Hilfs- mittel, wie Magnetfelder, Blenden od. dgl., oder
2. wie es bei den Lampen nach der Erfindung der Fall ist, durch niedrige Drucke, d. h. niedrigen
Gradienten, hohe Stromstärke, grossen Entladungsquerschnitt, niedrige Leistungskonzentration und Wandstabilisierung.
Es ergibt sich demnach aus aer Erfindung, dass es bei Edelgas-Hochdruck-Entladungen nicht notwendig ist, hohe Drucke und eine äussere Stabilisierung zu verwenden, sondern dass die nahezu gleichen
Lichtausbeuten auch auf dem entgegengesetzten Wege, d. h. mit niedrigen Drucken und Wandstabilisierung, zu erhalten sind ; man muss dann, im Gegensatz zu der Entladung mit höherem Druck, mit höheren Stromstärken arbeiten und den Bogendurchmesser gross machen.
Der geringe Fülldruck hat nebenbei den Vorteil, dass bei Herstellung der Lampen das Einbringen des Gases und das Abschmelzen des Pumprohres immer bei Unterdruck gegenüber der äusseren Atmosphäre vorgenommen werden kann. Gegenüber den bisherigen Lampenausführungen ist der Verbrauch an kostspieligem Füllgas bedeutend geringer. Ausserdem ist bei Anwendung niedriger Drucke, insbesondere wenn der Betriebsdruck in der Lampe nahezu gleich dem äusseren Atmosphärendruck wird, die Gefahr des Zerplatzens praktisch ausgeschaltet und die Wandstärke des Entladungsgefässes kann deshalb klein gehalten werden.
Als Gasfüllung kann statt Xenon auch eines der andern Edelgase, z. B. Krypton, Argon, Neon oder Helium, oder Mischungen von einzelnen oder allen Edelgasen verwendet werden. Doch ist bekannt, dass das Verhältnis von Lichtstrahlung zu Wärmeverlusten bei Verwendung von Xenon als Füllgas am günstigsten ist und damit auch die Wandbelastung am geringsten. Auch Zusätze beispielsweise von Wasserstoff, C (DZ, Metalldämpfen, Halogenen oder Stickstoff können in den Edelgasen vorhanden sein.
Besonders vorteilhaft hinsichtlich der Lichtausbeute arbeitet die Lampe bei hoher Leistungsaufnahme.
Die Wärmeableitung erfolgt von der Bogenoberfläche aus und ist dieser in erster Näherung proportional, d. h. wenn der Bogendurchmesser wächst, steigen die Wärmeverluste ungefähr proportional mit dem Durchmesser, wie rechnerisch nachzuweisen ist, während die Leistung, konstante Stromdichte und konstanten Gradienten vorausgesetzt, mit dem Quadrat des Durchmessers zunimmt. Die Wärmeverluste steigen daher bei Durchmesservergrösserung nicht proportional mit der Leistung, sondern nur mit der Wurzel aus der Leistung an, so dass sich das Verhältnis von Strahlungsanteil zu Wärmeverlust mit steigendem Entladungsdurchmesser und damit steigender Leistung zugunsten der Strahlung verschiebt, wobei für die Lichtausbeute eine obere Grenze durch die Plasmatemperatur gegeben ist.
Die Rohrdurchmesser der Lampen nach der Erfindung werden im allgemeinen nicht unter einem Zentimeter, meist grösser gewählt. Der Querschnitt richtet sich nach der für die Entladung verwendeten Stromstärke. Lampen gemäss der Erfindung lassen sich für beliebig hohe Leistungen herstellen ; eine obere Begrenzung ist praktisch nicht gegeben.
Die Lampen nach der Erfindung können sowohl mit Wechselstrom als auch mit Gleichstrom betrieben werden. Die Elektroden der Lampen richten sich in Form und Grösse nach der Strombelastung und nach der Betriebsart der Lampen an Gleich- bzw. Wechselstrom. Zweckmässigerweise können auch Blenden beispielsweise in Form von durchlochten, mit dem Quarzglaskolben verbundenen Quarzglasscheiben als Zerstäubungsschutz vor den Elektroden angebracht sein.
Durch die Länge des Entladungsweges von beispielsweise 1 m, wie sie bei den Hochdruck-Entla-
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dungslampen nach der Erfindung möglich ist. ergibt sich eine so hohe Brennspannung, dass die Elektro- denverluste gegenüber dem Leistungsumsatz im Bogen kaum ins Gewicht fallen, wodurch der Nutzeffekt günstig beeinflusst wird.
Gegenüber wassergekühlten Lampen mit vergleichbarer Leistung ergibt sich der Vorteil einfacherer
Handhabung, Wartung und grösserer Sicherheit infolge des Fortfalles der Überfangkolben und der Wasserversorgung mit den Zuführungsleitungen. Die Plasmatemperatur der luftgekühlten, wandstabilisierten
Lampen nach der Erfindung ist nur wenig geringer als die der flüssigkeitsgekühlten Lampen. Daher unterscheiden sich die Farbtemperatur und der Farbeindruck wie bei den f1üssigkeitsgekUhlten Lampen nur wenig vom Sonnenlicht.
Die Grenze für die nicht-künstliche Kühlung der Lampen ist durch die Oberflächenbelastung des Kolbens gegeben. Die oben gemachten Angaben über die maximal zulässige Leistungskonzentration beziehen sich auf Quarzglas als Material für das Entladungsrohr. Bei einem transparenten Material, das thermisch höher belastbar ist als Quarzglas, wie z. B. Aluminiumoxyd (Saphir), Magnesiumoxyd od. dgl., könnte auch die Leistungskonzentration in der Entladung noch höher sein, womit auch die Lichtausbeute weiterhin erhöht würde. Selbstverständlich kann bei der Lampe nach der Erfindung die Leistungskonzentration auch durch Anwendung künstlicher Kühlung, z. B. durch Anblasen mit einem Luftstrom, durch FIUssigkeitskl1Çlung od. dgl. gesteigert werden.
Einige Ausführungsbeispiele von Lampen nach der Erfindung sind in den Fig. 1 und 2 dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine Lampe für Wechselstrombetrieb. Die Lampen können entweder infolge der positiven Charakteristik direkt an Wechselspannung von 220 V oder an einer andern Spannung, gegebenenfalls auch unter Vorschaltung einer Drosselspule, betrieben werden. Der aus Quarzglas hergestellte röhrenförmige Kolben 1 mit einer lichten Weite d enthält Xenon als Füllgas. Die zylindrischen Elektrodenkörper 2 und 3 aus thoriertem Wolfram nehmen etwa ein Drittel des Rohrdurchmessers ein. Vor den Elektroden befinden sich als Schutzblenden die durchlochten Quarzscheiben 4 und 5. Die Lampe nach Fig. 2 mit einer gegenüber der Anode kleineren Kathode ist für Betrieb an Gleichstrom vorgesehen und kann auch ohne Vorschaltwiderstatid betrieben werden.
In der nachfolgenden Tabelle sind die Daten einiger gemäss der Erfindung ausgeführter wandstabilisierter Xenon-Hochdruck-Entladungslampen ohne künstliche Kühlung wiedergegeben und den entsprechenden Daten einer bekannten wandstabilisierten fltlssigkeitsgektihlten Xenon-Langbogenlampe gegenübergestellt.
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XBF <SEP> 6001 <SEP> XBL <SEP> 3000 <SEP> XBL <SEP> 16000 <SEP> XBL <SEP> 50000
<tb> Leistungsaufnahme <SEP> kW <SEP> 6 <SEP> 3 <SEP> 16 <SEP> 50
<tb> Brennspannung <SEP> V <SEP> 170 <SEP> 110 <SEP> 220 <SEP> 220
<tb> Stromstärke <SEP> A <SEP> 35 <SEP> 29 <SEP> 75 <SEP> 240
<tb> Elektrodenabstand <SEP> cm <SEP> 11 <SEP> 40 <SEP> 125.
<SEP> 130 <SEP>
<tb> Kolbendurchmesser <SEP> d <SEP> cm <SEP> 0, <SEP> 7 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 5
<tb> Gradient <SEP> V/cm <SEP> 14, <SEP> 4 <SEP> 2, <SEP> 5 <SEP> 1,7 <SEP> 1, <SEP> 6 <SEP>
<tb> Oberf1 chenbelastung <SEP> W/cm <SEP> 230 <SEP> 11 <SEP> 13 <SEP> 23
<tb> Leistungskonzentration <SEP> W/cm <SEP> 1310 <SEP> 23 <SEP> 18 <SEP> 20
<tb> Stromdichte <SEP> A/cm <SEP> 91 <SEP> 9 <SEP> 11 <SEP> 12
<tb> Lichtstärke <SEP> cd <SEP> 18000 <SEP> 5400 <SEP> 38000 <SEP> 140000
<tb> Lichtstrom <SEP> Im <SEP> 210000 <SEP> 66000 <SEP> 430000 <SEP> 1600000
<tb> Lichtausbeute <SEP> lm/W <SEP> 35 <SEP> 22 <SEP> 27 <SEP> 32
<tb> Fülldruck <SEP> Torr <SEP> 1030 <SEP> 125 <SEP> 75 <SEP> 55
<tb> Betriebsdruck <SEP> at <SEP> 24-2, <SEP> 5 <SEP> 1, <SEP> 4 <SEP> 0,
<SEP> 8 <SEP>
<tb> Plasmatemperatur <SEP> K <SEP> 7800 <SEP> 7000 <SEP> 7150 <SEP> 7300
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Die Tabelle zeigt deutlich die um mehr als eine Grössenordnung kleinere elektrische Leistungskonzentration der luftgekühlten Lampen (XBL) gegenüber der flüssigkeitsgektihlten Type (XBF). Während die Leistungskonzentration der angegebenen luftgekühlten Lampen unter 100 W/cmS liegt, zeigt die der flüssigkeitsgektihlten XBF-Lampe einen Wert von über 1000 W/cm. Auch die elektrischen Gradienten und die Stromdichten der luftgekühlten Lampen sind klein gegenüber denen der flüssigkeitsgekühlten.
Lampe. Weiterhin ist-entsprechend den obigen Ausführungen-der Fülldruck und damit der Betriebsdruck bei
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den XBL-Lampen niedrig und der lichte Durchmesser des Entladungsgefässes gross gewählt worden gegen- über den entsprechenden Werten der XBF-Lampe.
Das Entladungsrohr der Lampe nach der Erfindung ist nicht auf die gerade Form beschränkt, sondern kann auch gebogen ausgeführt sein, um spezielle optische Erfordernisse zu erfüllen. Ausser den in den Ausführungsbeispielen dargestellten kreisförmigen Rohrquerschnitten kann auch eine andere Querschnittsform gewählt werden. Bei Wechselstrom-Lampen kann es auch vorteilhaft sein, diese in Dreiphasenschaltung zu betreiben.
Eine zusätzliche Erhöhung der Strahlung in besonders gewünschten Spektralgebieten lässt sich durch die Kombination mit einem bekannten Leuchtstoff oder-gemisch erreichen. Ebenso könnte die Lichtstärke einseitig erhöht werden durch teilweise Verspiegelung des Entladungsgefässes.
Die in der Erfindung beschriebenen Lampen eignen sich vorzüglich zur Beleuchtung von Grossräumen aller Art, wie Bahnhofshallen, Theaterräumen, Sportplätzen und Fabrikhallen, für Leuchtfeuer und Landebahnleuchten od. dgl.
Besonders gut eignet sich die vorliegende Lampe beispielsweise für Farbechtheitsprüfungen sowie Alterungs-Grossanlagen, eventuell auch für Lichtpauszwecke, da hiefür Lampen grosser Länge und grossen Durchmessers zur gleichmässigen Beleuchtung ausgedehnter Flächen erwünscht sind. Die Lampe kann auch in Grossbestrahlungsanlagen, z. B. für Lichtbäder, für Pflanzenkulturen od. dgl. verwendet werden, wobei alle Strahlungsbereiche zur Anwendung kommen können.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrische Edelgas-Hochdruck-Entladungslampe für stationären Betrieb, bei der der Elektrodenabstand mindestens das Doppelte des lichten Rohrdurchmessers des Entladungsrohres beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer wandstabilisierten Entladung unter Fortfall jeglicher künstlicher Kühlung der Elektrodenabstand, die zugeführte elektrische Leistung und der Rohrdurchmesser so aufeinander abgestimmt werden, dass bei Verwendung von Quarzglas als Kolbenmaterial die Leistungskonzentration zwischen 5 und 200 Watt/cms und der auf eine Lampe ohne Totraum reduzierte Gasfülldruck (PF red) zwischen 5 und 350 Torr liegt.