CN106332433B - 轴耦合双周期电子加速管及加速器和腔体升频调节方法 - Google Patents

轴耦合双周期电子加速管及加速器和腔体升频调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轴耦合双周期电子加速管及加速器和腔体升频调节方法，其中，所述加速管内具有多个沿轴向分布并相对轴线径向对称的加速腔和耦合腔，所述加速腔和耦合腔交替设置并在径向对称线上开设有相互贯通的电子束流孔；其中，每个所述加速腔和/或耦合腔在构成其腔体的两个端面上均设置有相对加速管轴线径向对称的凸锥结构，所述凸锥结构位于电子束流孔的外缘，且两个所述凸锥结构之间的轴向距离与所在腔体的本征频率呈正相关。本发明所述的轴耦合双周期电子加速管通过在其腔体内设置可用于调节腔体本征频率的凸锥结构，为腔体本征频率的调节提供了一种新的方案，尤其在小型的高频加速器具有突出的优势。

Description

轴耦合双周期电子加速管及加速器和腔体升频调节方法
技术领域
本发明涉及一种在核技术及医疗领域中使用的电子加速器件和在对电子加速器件加工调试时的频率调节方法。更具体地说，本发明涉及一种用在核技术及医疗领域中的轴耦合双周期电子加速管、驻波电子直线加速器和腔体升频调节方法。
背景技术
电子直线加速器是一种利用微波电磁场加速电子并且具有直线运动轨道的加速装置，其被广泛应用于医疗领域中，比如说常见的CT机(即计算机X线断层摄影机)，其中最关键的部件就是电子直线加速器，利用的则是加速器加速电子进而产生高能量X射线的基本原理。
微波，又称为“超高频电磁波”，其通常用波导管(常用的是圆波导管)进行传播，但是其在波导管中传播的相速度(波的相位在空间中传递的速度，是相位移动速度的简称)远大于光速，即微波电磁场的相速度传播过快，并不能实现对电子的加速，因此需要设法将波导管中微波传播的相速度降下来。为解决这一问题，现有技术教会我们通过在圆波导管中周期性插入带中孔的圆形膜片，依靠膜片的反射作用，就可使微波传播的相速度慢下来，进而微波电磁场就可以与注入其中的电子进行能量交换，即可实现对电子的加速。这种波导管，人们称其为盘荷波导加速管，取圆形膜片对波导管加载之意，同时又可称为慢波结构。
可见，上述所说的盘荷波导加速管或是慢波结构是构成电子直线加速器的关键部件之一。当电子在盘荷波导加速管的微波电磁场中所处的相位与加速相位相匹配时，电磁场能量转换为电子能量，电子得到加速；当电子在盘荷波导加速管的微波电磁场中所处的相位与减速相位相匹配时，电子能量转换为电磁场能量，电子被减速。因此为了确保电子能够持续的被加速进而获得高能量，现有技术给出了以下两种不同的电子加速方式：
第一种是行波加速方式，对应于行波电子直线加速器。该方式实现对电子加速的核心原理是让电子运行速度与行波的相速度相等，即二者满足同步条件，这样电子可以一直处于电场的波峰上进行加速；
第二种是驻波加速方式，对应于驻波电子直线加速器。该方式实现对电子加速的核心原理是让电子在盘荷波导加速管中的每个腔内飞跃时所遇到的都是电场的加速相位，即电子在一个腔飞跃的时间等于加速管中电磁场振荡的半周期，电子的飞跃时间与加速电场更换方向时间一致，从而实现对电子的持续加速。
其中，对于驻波加速方式而言，实现对电子持续加速的前提条件之一是：盘荷波导加速管中每个腔都是具有同一个腔体本征频率f0的电磁谐振腔，即所有腔体都谐振在同一个频率上，同时还要与微波频率frf一致。而腔体本征频率f0通常取决于腔体的内径尺寸R大小，二者呈反相关的关系，即腔体内径尺寸大，f0小，反之则大。当加工出来的加速管腔体尺寸完全符合人们所想要的频率时，则该加速管就满足了可使电子持续加速的前提条件之一。但是往往实际加工的过程中，测试人员在对从厂家拿到的所加工出的加速管各个腔体进行频率测量时，有的腔体本征频率f0比所需的大，有的腔体征频率f0又比所需的要小，并不符合预期的设计。此时，若测出加工出来的某个腔体频率大了，需要使之变小，通常的做法是通过削该腔体管内壁使内径R增大(即使腔体内径尺寸变大)的方式实现；而若测出加工出来的某个腔体频率小了需要使之变大，即需要使腔体的内径R尺寸变小，通常的做法是利用开设在该腔体管的外壁上的孔槽实现，即用一根小棒子插入该孔槽，然后敲击小棒子使腔体管的内壁发生变形，进而就可减小腔体内径尺寸R，实现频率的升频调节。但是这种方式存在的的缺陷是容易使腔体内部分电磁场转化为高阶电磁场，而高阶电磁场不能实现对电子的加速，因此造成电磁能量丢失，进而使得电子获得的能量减少。因此目前急需一种能够对利用驻波加速方式加速电子的盘荷波导加速管的腔体本征频率进行升频调节的最佳解决方案。
而进一步的是，对于利用驻波加速方式加速电子的盘荷波导加速管按电磁场的耦合方式可分为轴耦合和边耦合两种，按腔体的布局设计可分为单周期和双周期，比如说管内所有腔均为可对电子进行加速的加速腔则称为单周期的加速管，若是管内腔体分为对电子进行加速的加速腔以及对电子起耦合作用的耦合腔，并交替排布，则称为双周期的加速管。
其中，在驻波电子直线加速器的轴耦合双周期慢波结构(也可称轴耦合双周期盘荷波导加速管)中，目前有两种带鼻锥方式的加速管/慢波结构：
一种是在加速腔内设置类似鼻锥的带中孔的凸锥结构，在耦合腔内不设置。具体来说就是在盘荷波导管中每个圆形膜片(也可称盘荷波导片)通孔处构成加速腔的一侧设置凸锥结构，而构成耦合腔的一侧不设。这种方式的优点是加速腔品质因数高，功率损耗小，微波利用效率高，缺点是耦合腔品质因数低；另一种是在加速腔内不设置，在耦合腔内设置类似鼻锥的带中孔的凸锥结构。具体来说就是在盘荷波导管中每个圆形膜片通孔处构成耦合腔的一侧设置凸锥结构，而构成加速腔的一侧不设。比如说专利号为03135490.4所公开的驻波电子直线加速器方案中就采用了该结构。这种方式的优点是提高了加速腔体的最大功率密度，可以充分提高加速梯度、缩短加速长度，缺点是加速器品质因数低，功率损耗大。
以上两种已有设计的加速管中，虽然各具优缺点，但是也均没有给出加速腔和耦合腔的腔体本征频率还与什么参数有关，即没有给出如何在对盘荷波导加速管的加工调试中使其腔体本征频率可进行升频调节的最佳解决方案。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种轴耦合双周期电子加速管，其通过在加速腔和/或耦合腔内设置可用于调节腔体本征频率的凸锥结构，为腔体本征频率的调节提供了一种新的方案，而不再局限于传统对腔体内径尺寸进行修改的方式，因此可使得加工后的加速管能有效降低腔内电磁场的能量损耗，保证电子加速过程中不会因电磁能量的丢失而造成加速效率的降低。
本发明还有一个目的是提供一种驻波电子直线加速器，尤指小型的高频加速器，其通过采用了设置有可调节腔体本征频率的凸锥结构的轴耦合双周期电子加速管，使得加速器工作性能不会因加速管的问题而有所降低，进而极具推广价值。
本发明还有一个目的是提供一种对轴耦合双周期电子加速管中腔体本征频率进行升高调节的方法，该方法采用同时修改腔体内两个相对设置的凸锥结构外部轮廓的方式，以增大二者在腔体内的轴向距离来实现对腔体的升频，相对于传统改变腔体内径尺寸的方式来说，其不会对腔体内分布的电磁场产生较大的不利影响，同时该方法对于小型高频加速器来说具有很突出的实际意义。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了以下技术方案：
一种轴耦合双周期电子加速管，其用于驻波电子直线加速器中对电子进行加速，所述加速管内具有多个沿轴向分布并相对轴线径向对称的加速腔和耦合腔，所述加速腔和耦合腔交替设置并在径向对称线上开设有相互贯通的电子束流孔；其中，
每个所述加速腔和/或耦合腔在构成其腔体的两个端面上均设置有相对加速管轴线径向对称的凸锥结构，所述凸锥结构位于电子束流孔的外缘，且两个所述凸锥结构之间的轴向距离与所在腔体的本征频率呈正相关。
优选的是，所述加速管由多节呈半敞开状的盘荷波导管段焊接而成，所述盘荷波导管段为由圆波导管段和构成圆波导管段封闭侧的圆形膜片一体成型组成；其中，
每个所述加速腔由两节盘荷波导管段构成，所述两节盘荷波导管段的圆形膜片构成加速腔的两个端面，同时所述电子束流孔开设在圆形膜片所构成的加速腔径向对称线上。
优选的是，所述加速管中，除首尾端的盘荷波导管段外，其余每节盘荷波导管段在圆形膜片背对构成加速腔的一侧均设置有以电子束流孔为圆心的圆形槽；其中，
相邻两个加速腔之间，相邻两节盘荷波导管段的圆形槽直径不一，以可通过相互卡合的方式构成所述耦合腔。
优选的是，所述凸锥结构设置在构成加速腔和耦合腔的所述盘荷波导管段的圆形膜片上，并与圆形膜片一体成型。
优选的是，所述加速管中，两个相邻的加速腔和中间的耦合腔之间除通过所述电子束流孔贯通以外，还通过设置在圆形膜片上相互垂直的两组耦合孔连通。
进一步的是，本发明还提供了一种具备上述所说的轴耦合双周期电子加速管的驻波电子直线加速器。
优选的是，所述加速器为轴耦合双周期电子加速管中加速腔和耦合腔均设置有所述凸锥结构的高频小型加速器。
进一步的是，本发明还提供了一种对上述所说的轴耦合双周期电子加速管中腔体本征频率进行升高调节的方法，所述方法为：
通过同时以切削的方式修改位于同一腔体内的两个凸锥结构的外部轮廓，并以此逐渐增大二者之间在该腔体内的轴向距离完成频率的逐步升高。
优选的是，经切削后的所述两个凸锥结构仍相对于加速管轴线径向对称。
本发明至少包括以下有益效果：
其一、本发明提供的轴耦合双周期电子加速管中，其包括了在加速腔和耦合腔内均设置凸锥结构的技术方案，该技术方案克服了现有技术中耦合腔或加速腔中不带凸锥结构，导致相应腔体品质因数低、功率损耗大、微波利用效率不高的不足，进而使得加速腔和耦合腔都能保持较高的品质因数，功率损耗小，微波利用效率高；进一步给出了凸锥结构与腔体本征频率之间的关系，使得为加速腔和耦合腔的本征频率调节提供了一种新的解决方案；
其二、本发明提供的轴耦合双周期电子加速管中，其包括了在加速腔或耦合腔内设置凸锥结构的技术方案，且给出了凸锥结构与腔体本征频率之间的关系，为腔体本征频率的调节(尤指升频)增加了一种修改手段，而尽管现有技术中给出了可在耦合腔或加速腔中设置凸锥结构以改善腔体的性能，但是其也并未给出凸锥结构还可以用于调节腔体的本征频率，因此克服了现有技术中加速腔或耦合腔缺少相应腔体本征频率修改手段的不足；
其三、本发明提供的驻波电子直线加速器中，其通过采用了设置有可用于调节腔体本征频率的凸锥结构的轴耦合双周期电子加速管，使得加速器工作性能不会因加速管的问题(譬如腔体内存在高阶场)而有所降低，进而极具推广价值；
其四、本发明所述的驻波电子直线加速器尤指高频(如C波段5～6GHz、X波段9～10GHz或更高频段)小型加速器，即对该类加速器的研制方面具有实际意义。因为对于高频小型加速器，加速腔、耦合腔几何尺寸小、品质因数低，且微波功率峰值功率偏低，需要尽可能提高微波利用效率，利用本发明可以有效提高包括加速腔和耦合腔在内的所有腔体的品质因数，减小功率损耗，尽可能地提高能量利用效率。同时，还有利于加工调试中利用修改凸锥结构的方式来进行腔体本征频率的修正；
其五、本发明所提供的对轴耦合双周期电子加速管中腔体本征频率进行升高调节的方法中，其采用了逐渐修改腔体内两个相对设置的凸锥结构外部轮廓的方式，以增大二者在腔体内的轴向距离来实现对腔体的升频，相对于传统改变腔体内径尺寸的方式来说，其不会对腔体内分布的电磁场产生任何影响，同时该方法对于小型高频加速器来说具有很突出的实际意义。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明所述轴耦合双周期电子加速管其中一种优选实施例的部分纵向截面示意图；
图2为本发明所述轴耦合双周期电子加速管其中一种优选实施例的局部立体图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1所示，本发明提供了一种轴耦合双周期电子加速管1，其用于驻波电子直线加速器中对电子进行加速(这里图1仅仅示出了电子加速管的其中一部分结构)，所述加速管内具有多个沿轴向分布并相对轴线径向对称的加速腔2和耦合腔3，所述加速腔和耦合腔交替设置并在径向对称线上开设有相互贯通的电子束流孔4；其中，每个所述加速腔和/或耦合腔在构成其腔体的两个端面上均设置有相对加速管轴线径向对称的凸锥结构5，所述凸锥结构位于电子束流孔的外缘，且两个所述凸锥结构之间的轴向距离与所在腔体的本征频率呈正相关。具体来说，当某个腔体的频率加工得比预设的小时，则可以通过修改该腔体内两个凸锥结构的外部轮廓使二者之间轴向距离增大的方式来增高腔体本征频率；反之，当某个腔体的频率加工得比预设的大时，则可以通过缩小二者之间的轴向距离即可降低腔体本征频率，不过在实际加工调试过程中难以操作，因此仍采用传统的修改腔体内径尺寸的方式来降低频率。
这里，上述技术方案给出的轴耦合双周期电子加速管中，其包括了在加速腔和耦合腔内均设置凸锥结构的技术方案(参照图1所示出的)，克服了现有技术中耦合腔或加速腔中不带凸锥结构，导致相应腔体品质因数低、功率损耗大、微波利用效率不高的不足，进而使得加速腔和耦合腔都能保持较高的品质因数，功率损耗小，微波利用效率高；对于该技术方案而言，还给出了腔体内两个凸锥结构与腔体本征频率之间的关系，使得包括加速腔和耦合腔在内的所有腔体的本征频率调节得到了一种新的解决方案，即可通过修改腔体内的两个凸锥结构之间轴向距离的方式来改变腔体的本征频率。
同时，上述技术方案给出的轴耦合双周期电子加速管中，其还包括了在加速腔或耦合腔其中一种腔体内设置凸锥结构的技术方案，且给出了腔体内两个凸锥结构与腔体本征频率之间的关系，为腔体本征频率的调节(尤指升频)增加了一种修改手段，而尽管现有技术中给出了可在耦合腔或加速腔中设置凸锥结构以改善腔体的性能，但是其也并未给出凸锥结构还可以用于调节腔体的本征频率，因此克服了现有技术中加速腔或耦合腔缺少相应腔体本征频率修改手段的不足。
参照图1-2，本发明所述轴耦合双周期电子加速管1由多节呈半敞开状的盘荷波导管段6焊接而成，所述盘荷波导管段为由圆波导管段61和构成圆波导管段封闭侧的圆形膜片62一体成型组成；其中，每个所述加速腔由两节盘荷波导管段构成，所述两节盘荷波导管段的圆形膜片构成加速腔的两个端面，同时所述电子束流孔开设在圆形膜片所构成的加速腔径向对称线上。这里给出了加速管的加速腔的形成方案，相对于传统设计不同的是，这里加速腔分别由两节盘荷波导管段构成，可有利于在对加速腔进行加工调试时方便修改凸锥结构，以调整腔体的频率。
如图1-2所示，进一步的是，所述轴耦合双周期电子加速管中，除首尾端的盘荷波导管段外，其余每节盘荷波导管段在圆形膜片背对构成加速腔的一侧均设置有以电子束流孔为圆心的圆形槽63；其中，相邻两个加速腔之间，相邻两节盘荷波导管段的圆形槽直径不一，以可通过相互卡合的方式构成所述耦合腔。这里给出了加速管中耦合腔的形成方案，相对于传统设计不同的是，这里耦合腔也采用了两节盘荷波导管段构成，可有利于在对耦合腔进行加工调试时方便修改凸锥结构，以调整腔体的频率。
从图2中可以明显看到，上面所说的凸锥结构5设置在构成加速腔和耦合腔的所述盘荷波导管段的圆形膜片上，并与圆形膜片一体成型。同时也可以清楚看到其与电子束流孔4的孔径是相同的。具体来说所述凸锥结构为一带中孔的圆柱形，且其脚部与圆形膜片之间通过第一圆弧51过渡，头部与其本体之间通过第二圆弧52过渡；所述第一圆弧51的弧度大于第二圆弧52的弧度。这里可通过修改第二圆弧弧度的方式来修改凸锥结构的外部轮廓，进而改变腔体内两个凸锥结构的轴向距离。
优选的是，所述加速管中，两个相邻的加速腔和中间的耦合腔之间除通过所述电子束流孔贯通以外，还通过设置在圆形膜片上相互垂直的两组耦合孔7连通。所述耦合孔的设置有助于微波在各个腔体内的注入。因为所述加速管中位于中部的加速腔预留有外连微波耦合器的插孔8，以使微波耦合器将微波注入到管中。再次说明图1-2仅仅示出了加速管其中一部分结构。对于完整的加速管而言，其首尾端的两个盘荷波导管段构成的是一个加速腔，且首端的加速腔空间尺寸小于与之相邻的第二个加速腔，且够成该加速腔外侧的圆形膜片上设置有电子束入射孔，所述电子束入射孔替代其上的电子束流孔，且孔径大于电子束流孔。而第二个加速腔的空间尺寸小于与之相邻的第三个加速腔，而从第三个加速腔开始所有加速腔的内部空间尺寸则均是一致的，本发明给出的附图可以理解为从第三个加速腔开始的。
在本发明进一步的实施例中，还提供了一种具备上述所说的轴耦合双周期电子加速管的驻波电子直线加速器。且所述加速器优选的是采用轴耦合双周期电子加速管中加速腔和耦合腔均设置有所述凸锥结构的高频小型加速器。
本发明提供的驻波电子直线加速器中，其通过采用了设置有可用于调节腔体本征频率的凸锥结构的轴耦合双周期电子加速管，使得加速器工作性能不会因加速管的问题(譬如腔体外壁形变引起额外的高阶场)而有所降低，进而极具推广价值；而本发明所述的驻波电子直线加速器尤指高频(如C波段5～6GHz、X波段9～10GHz或更高频段)小型加速器，即对该类加速器的研制方面具有实际意义。因为其一对于高频小型加速器，加速腔、耦合腔几何尺寸小、品质因数低，且微波功率峰值功率偏低，需要尽可能提高微波利用效率，利用本发明可以有效提高包括加速腔和耦合腔在内的所有腔体的品质因数，减小功率损耗，尽可能地提高能量利用效率。同时其二还有利于加工调试中利用修改凸锥结构的方式来进行腔体本征频率的修正。由于加速腔、耦合腔几何尺寸小，通过实践证明，仅需修改一点点凸锥结构就可以使得腔体本征频率大幅度提高。比如说对于耦合腔而言，通过修改位于该腔体内的两个凸锥结构0.01mm，就可以使得腔体本征频率提高1MHz左右。而对于大型的加速管而言，其本身的加速腔和耦合腔尺寸大，虽然修凸锥结构也能改变其腔体的本征频率，但是效果并不是很突出，比如同样的修改耦合腔的凸锥结构，修改0.01mm，仅仅只能使腔体本征频率提高0.1MHz左右。
在本发明进一步的实施例中，还提供了一种对上述所说的轴耦合双周期电子加速管中腔体本征频率进行升高调节的方法，所述方法为：通过同时以切削的方式修改位于同一腔体内的两个凸锥结构的外部轮廓，并以此逐渐增大二者之间在该腔体内的轴向距离完成频率的逐步升高。这里与上面所说的，腔体内两个凸锥结构的轴向距离与腔体的本征频率呈正相关不谋而合。这里仅给出了升高频率的方案，与本案背景技术要解决的技术问题是相符合的，对于降频，如前所说，一般还是采用传统的修改腔体尺寸内径的方式来实现。这里优选的是，经切削后的所述两个凸锥结构仍相对于加速管轴线径向对称，这样才能保证凸锥结构的设置给加速管所带来的其他的工作性能上的优势效果不被破坏。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的轴耦合双周期电子加速管、驻波电子直线加速器以及腔体升频方法的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种轴耦合双周期电子加速管，其用于驻波电子直线加速器中对电子进行加速，其特征在于，所述加速管内具有多个沿轴向分布并相对轴线径向对称的加速腔和耦合腔，所述加速腔和耦合腔交替设置并在径向对称线上开设有相互贯通的电子束流孔；其中，
每个所述加速腔和耦合腔在构成其腔体的两个端面上均设置有相对加速管轴线径向对称的凸锥结构，所述凸锥结构位于电子束流孔的外缘，且两个所述凸锥结构之间的轴向距离与所在腔体的本征频率呈正相关。
2.如权利要求1所述的轴耦合双周期电子加速管，其特征在于，所述加速管由多节呈半敞开状的盘荷波导管段焊接而成，所述盘荷波导管段为由圆波导管段和构成圆波导管段封闭侧的圆形膜片一体成型组成；其中，
每个所述加速腔由两节盘荷波导管段构成，所述两节盘荷波导管段的圆形膜片构成加速腔的两个端面，同时所述电子束流孔开设在圆形膜片所构成的加速腔径向对称线上。
3.如权利要求2所述的轴耦合双周期电子加速管，其特征在于，所述加速管中，除首尾端的盘荷波导管段外，其余每节盘荷波导管段在圆形膜片背对构成加速腔的一侧均设置有以电子束流孔为圆心的圆形槽；其中，
相邻两个加速腔之间，相邻两节盘荷波导管段的圆形槽直径不一，以可通过相互卡合的方式构成所述耦合腔。
4.如权利要求3所述的轴耦合双周期电子加速管，其特征在于，所述凸锥结构设置在构成加速腔和耦合腔的所述盘荷波导管段的圆形膜片上，并与圆形膜片一体成型。
5.如权利要求4所述的轴耦合双周期电子加速管，其特征在于，所述加速管中，两个相邻的加速腔和中间的耦合腔之间除通过所述电子束流孔贯通以外，还通过设置在圆形膜片上相互垂直的两组耦合孔连通。
6.一种采用权利要求1-5任一项所述轴耦合双周期电子加速管的驻波电子直线加速器。
7.如权利要求6所述的驻波电子直线加速器，其特征在于，所述加速器为轴耦合双周期电子加速管中加速腔和耦合腔均设置有所述凸锥结构的高频小型加速器。
8.一种对权利要求1-5任一项所述轴耦合双周期电子加速管中腔体本征频率进行升高调节的方法，其特征在于，所述方法为：
通过同时以切削的方式修改位于同一腔体内的两个凸锥结构的外部轮廓，并以此逐渐增大二者之间在该腔体内的轴向距离完成频率的逐步升高。
9.如权利要求8所述的对轴耦合双周期电子加速管中腔体本征频率进行升高调节的方法，其特征在于，经切削后的所述两个凸锥结构仍相对于加速管轴线径向对称。
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