CN111554556A - X射线管及医疗成像设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗设备技术领域，特别是涉及X射线管及医疗成像设备。一种X射线管，包括管壳、电极单元及绝缘单元，所述电极单元及所述绝缘单元位于所述管壳内，所述绝缘单元抵接于所述管壳，且位于所述电极单元的一侧；所述X射线管还包括位于所述管壳内的金属单元，所述金属单元与所述绝缘单元连接，所述金属单元的一端与所述电极单元连接，另一端穿设于所述绝缘单元。本发明的优点在于：金属单元、绝缘单元与真空的交界处的电场分布更加均匀，场强较低，能够降低高压打火的几率，防止绝缘单元被离子击穿而失效。

Description

X射线管及医疗成像设备

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，特别是涉及X射线管及医疗成像设备。

背景技术

X射线管中具有阴极单元及阳极单元两种电极单元，阴极单元中的高速电子撞击阳极单元，从而产生X射线，X射线波长短、能量大、穿透力强，从而广泛地应用于医学成像设备中。电极单元通过高压线缆与高压插座电性连接，高压插座与电极单元之间设有绝缘单元，绝缘单元承受来自高压插座的高压。

传统的X射线管中，在电极单元、绝缘单元及真空的交接处，由于三种材料的介电常数不同，会发生电场线畸变，在附近产生高的电场强度，导致气体中的离子被电离，同时发生场致发射，阳离子轰击绝缘单元表面，引起击穿，导致绝缘单元失效。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种X射线管，技术方案如下：

一种X射线管，包括管壳、电极单元及绝缘单元，所述电极单元及所述绝缘单元位于所述管壳内，所述绝缘单元抵接于所述管壳，且位于所述电极单元的一侧；所述X射线管还包括位于所述管壳内的金属单元，所述金属单元的一端与所述电极单元连接，另一端穿设于所述绝缘单元，且所述金属单元与所述绝缘单元抵接。

本发明提供的X射线管，通过在绝缘单元与电极单元之间设置金属单元，金属单元与绝缘单元接触，并与电极单元连接。在绝缘单元、金属单元及真空的交接处发生畸形电场线时，金属单元能够均匀真空内及绝缘单元内的电场分布，降低绝缘单元、金属单元及真空交接处附近电场的垂直分量及水平分量，降低高压打火的几率，防止绝缘单元被离子击穿而失效。

在本发明的其中一个实施方式中，所述电极单元包括支撑件，所述金属单元与所述支撑件连接，所述金属单元形状不同于所述支撑件的形状。

如此设置，所述金属单元能够加大金属部分的面积，能够屏蔽绝缘单元、金属单元与真空交接处的畸变电场线，进一步优化电场分布，使绝缘单元、金属件与真空交接处的电场分布更加均匀。

在本发明的其中一个实施方式中，所述X射线管还包括屏蔽单元，所述屏蔽单元与所述电极单元连接并环绕在所述金属单元周侧，且能够覆盖所述金属单元与所述绝缘单元之间的连接处。

如此设置，屏蔽单元能够改变屏蔽单元附近的电场形状，使绝缘单元、金属单元与真空交接处的电场线及等势线变得稀疏。

在本发明的其中一个实施方式中，所述绝缘单元朝向所述电极单元的侧面开设有凹槽，所述屏蔽单元远离所述电极单元的一端延伸至所述凹槽内，并与所述凹槽的槽壁间隔设置。

如此设置，使屏蔽单元能够充分覆盖金属单元与绝缘单元之间的连接处，起到更好的屏蔽效果，且所述屏蔽单元与所述凹槽的槽壁间隔设置，可防止所述屏蔽单元与所述凹槽的槽壁接触而产生新的畸变电场线。

在本发明的其中一个实施方式中，所述绝缘单元朝向所述电极单元的侧面设有波纹层。

如此设置，可增加所述绝缘单元的爬电距离，从而降低绝缘单元表面发生闪络打火的可能性。

在本发明的其中一个实施方式中，沿所述绝缘单元的轴向，所述波纹层的厚度与所述绝缘单元半径的比值范围为1/30～1/20。

如此设置，既可增加所述绝缘单元的爬电距离，又可降低成本。

在本发明的其中一个实施方式中，所述绝缘单元包括多个绝缘部，且沿所述绝缘单元的径向，所述绝缘部的介电强度依次减弱。

如此设置，高介电强度对应高场强区，能够降低高场强区域的打火几率。

在本发明的其中一个实施方式中，所述绝缘部采用不同的绝缘材料制作；或者，所述绝缘部采用相同种类且不同纯度的绝缘材料制作。

如此设置，能够实现每个所述绝缘部具有不同的介电常数及电阻率，通过不同介电常数及电阻率的组合，优化所述绝缘部内部的电场强度，使得局部的电场强度降低，从而减小打火几率。

在本发明的其中一个实施方式中，所述绝缘部在所述绝缘单元的轴线方向上的厚度，沿着所述绝缘单元的径向递减。

如此设置，不仅能够实现每个所述绝缘部具有不同的介电强度，使管壳内的电场更加均匀，又能够降低成本。

在本发明的其中一个实施方式中，所述绝缘单元朝向所述电极单元的侧面铺设有金属氧化层。

如此设置，以调整所述绝缘单元表面的电阻率，降低所述绝缘单元击穿的可能性，提高所述绝缘单元表面的防静电性能，同时能够减少所述绝缘单元表面的二次电子发射，对于所述绝缘单元表面的打火起到抑制作用。

本发明还提供如下技术方案：

一种医疗成像设备，所述医疗成像设备包括上述的X射线管。

附图说明

图1为本发明提供的X射线管的结构示意图；

图2为现有的X射线管中绝缘单元的结构示意图；

图3为现有的X射线管的电极单元附近的电场分布示意图；

图4为本发明提供的X射线管的电极单元附近的电场分布示意图；

图5为实施例一中X射线管中绝缘单元与金属单元的结构示意图；

图6为实施例二中X射线管中绝缘单元与金属单元的结构示意图；

图7为实施例三中X射线管中绝缘单元与金属单元的结构示意图；

图8为实施例四中X射线管中绝缘单元与金属单元的结构示意图；

图9为其中一个实施方式中X射线管中绝缘单元的结构示意图；

图10为另一个实施方式中X射线管中绝缘单元的结构示意图。

图中各符号表示含义如下：

100、X射线管；10、管壳；11、管腔；20、电极单元；21、阴极单元；211、灯丝；212、支撑件；213、均压罩；22、阳极单元；221、阳极靶盘；222、驱动线圈；223、轴承；30、高压线缆；31、阴极线缆；32、阳极线缆；40、套管单元；41、阴极高压插座；42、阳极高压插座；50、吸气剂单元；60、绝缘单元；61、凹槽；62、绝缘部；70、金属单元；80、屏蔽单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“装设于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，图1为本发明提供的X射线管100的结构示意图。

本发明提供一种X射线管100，该X射线管100用于发射X射线，X射线管100能够利用加速后的电子撞击金属靶，电子在撞击过程中动能的一部分转化为辐射能，从而发射出具有连续X光光谱的X射线。又或者通过电子对金属原子内层电子的撞出以使得原子的外层电子能够向内层跃迁，从而发射出具有特性X光光谱的X射线。

本实施例中，X射线管100应用至医学成像设备中，作为X射线发生源，例如应用于电子计算机断层扫描仪(Computed Tomography，CT)的X线发生系统中；还可以用于多模态医疗成像设备的X射线发射，如正电子发射计算机断层显像机(Positron EmissionTomography-Computed Tomography，PET-CT)等。本发明并不限制X射线管100仅能够应用至医学成像设备中；在其他的实施方式中，X射线管100还可以应用工业探伤、安全检测、生物大分子分析、X射线卫星导航等领域中。

具体地，X射线管100包括电极单元20，管壳10中空设置以形成管腔11，电极单元20容置于管腔11内。

进一步地，电极单元20包括阳极单元22及阴极单元21，阴极单元21与阳极单元22相对设置。

阴极单元21包括灯丝211以及灯丝驱动电路(图未示)，灯丝驱动电路连接于灯丝211，其用于为灯丝211供电，从而驱动灯丝211发射电子束。灯丝211的结构可以为螺旋线圈、平板型、D形或其他形状，本发明并不对于灯丝211的结构加以限定，只要其能在通电后实现电子束的发射即可。灯丝211的材料可以是钨、掺杂钨、钨合金或其他能够发射电子束的材料，包括但不限于热发射的热阴极、场致发射的冷阴极等。

灯丝211在灯丝驱动电路的驱动作用下产生高温，此时灯丝211的表面电子因为高温而具有足够的逸出能量，并通过热运动的形式逸出灯丝211的表面，从宏观上即表现为灯丝211发射出电子束。

阳极单元22包括阳极靶盘221，阳极靶盘221用于接受电子束的轰击并使电子束部分转化为X射线，阳极靶盘221设置于管壳10内并与阴极单元21相对设置。

在旋转阳极X射线管100中，阳极单元22还包括驱动线圈222及轴承223，驱动线圈222套设于轴承223外侧，轴承223与阳极靶盘221连接。驱动线圈222在通电的情况下，能够驱动阳极靶盘221转动。

X射线管100还包括高压线缆30及套管单元40，套管单元40设于管壳10外，高压线缆30包括阴极线缆31，套管单元40内具有阴极高压插座41，阴极高压插座41通过阴极线缆31连接于阴极单元21，通过阴极线缆31向阴极单元21施加高压。

在双极性高压X射线管100中，高压线缆30还包括阳极线缆32，套管单元40内还具有阳极高压插座42，阳极高压插座42通过阳极线缆32连接于阳极单元22，通过阳极线缆32阳极单元22施加高压。

X射线管100还包括吸气剂单元50，吸气剂单元50设于管壳10内，用于提高管壳10内的真空度。

请参见图2，图2为现有的X射线管中绝缘单元60'的结构示意图。现有的X射线管中，在阳极高压插座及/或阴极高压插座与电极单元20'之间设有绝缘单元60'，绝缘单元60'承受高压，阳极高压插座及/或阴极高压插座通电后在管腔11'内形成电场。绝缘单元60'与电极单元20'连接，与绝缘单元60'与电极单元20'连接的部分为金属，且管腔11'内为真空状态，由于绝缘单元60'、金属及真空三种材料的介电常数不同，导致在绝缘单元60'、电极单元20'与真空三种不同材料的交接处(以下简称三种材料交接处)的附近，如图2中的A处所述，电场线发生畸变，形成高的电场强度，该区域具有较高的垂直分量及水平分量，金属的阳离子被拉出至金属表面，轰击绝缘单元60'表面，被轰击的绝缘单元60'局部温升，导致热电离，绝缘单元60'的电阻剧降，从而使得绝缘单元60'失效。

本发明通过在电极单元20与绝缘单元60之间增加金属单元70，金属单元70置于管壳10内，金属单元70能够改变金属单元70附近的电场形状，以使绝缘薄弱处的电场线和等势线变得稀疏，能够对于三种材料交接处的电场强度起到屏蔽作用，均匀管壳10内的电场分布，减弱三种材料交接处电场强度，从而防止阳离子轰击绝缘单元60表面。

具体地，绝缘单元60的外侧面抵接于管壳10，金属单元70的一端连接于电极单元20，另一端穿设于绝缘单元60，且金属单元70的外侧壁与绝缘单元60接触。金属单元70可为钨、钨合金等金属材料，本发明并不对金属单元70的材料加以限定。

请参见图3及图4，图3为现有的X射线管中电极单元20'附近的电场分布示意图；图4为本发明提供的X射线管100的电极单元20附近的电场分布示意图。由图3及图4对比可以看出，图4中三种材料的交接处的电场分布更加均匀。

金属单元70穿设于绝缘单元60并与阴极高压插座41及/或阳极高压插座42连接，高压线缆30穿设于金属单元70中并与电极单元20连接。可以理解，金属单元70与阴极高压插座41及/或阳极高压插座42连接，在电压一定的情况下，金属单元70能够增加高压线缆30的半径，从而均匀电场分布。

在固定阳极双极性X射线管100中，若工作电压为U，阳极单元22接地，阴极单元21附近的管壳10承受-U的电压，则需要在阴极单元21与阴极高压插座41之间设置绝缘单元60及金属单元70，阳极单元22不需要设置绝缘单元60及金属单元70；在旋转阳极X射线管100中，若工作电压为U，则阳极单元22向管壳10施加U/2电压，阴极单元21向管壳10施加U/2的电压，则需要在阳极单元22与阳极高压插座42之间设置绝缘单元60及金属单元70，同时在阴极单元21与阴极高压插座41之间设置绝缘单元60及金属单元70；在单极高压X射线管100中，不存在阳极高压插座42及阳极高压线缆30，高压全部施加于阴极单元21，则需要在阴极单元21与阴极高压插座41之间设置绝缘单元60及金属单元70，而不需要在阳极单元22设置绝缘单元60及金属单元70。

阴极单元21还包括均压罩213及支撑件212，灯丝211设于均压罩213内，支撑件212设于均压罩213的一端，金属单元70的一端与支撑件212连接，均压罩213由纯镍、铁镍合金或其他材料制作，对于灯丝211发射的电子束具有聚焦作用，并且，均压罩213及支撑件212也会对于三种材料交接处的电场起到屏蔽作用，均匀电场分布，减弱三种材料交接处的电场强度；在旋转阳极X射线管100中，金属单元70的一端连接于轴承223。

请一并参见图5及图6，图5为实施例一中X射线管100中绝缘单元60与金属单元70的结构示意图，图6为实施例二中X射线管100中绝缘单元60与金属单元70的结构示意图。

实施例一

请参阅图5，金属单元70呈圆筒状，且外径不同于支撑件212。可以理解，支撑件212及金属单元70对于三种材料交接处附近的电场均能起到屏蔽作用。在其他实施例中，金属单元70与支撑件212的外径相等，金属单元70对于支撑件212在轴向上进行延伸，增加了金属件的面积，同样能够均匀电场分布。

实施例二

请参阅图6，本实施例中所示的结构与实施例一中的结构基本相同，相同部分在此就不再赘述，其不同之处在于：

金属单元70呈圆台状，即，沿着电极单元20的轴向，金属单元70的截面呈梯形，在其他实施例中，金属单元70的形状还可为棱柱状或者其他形状，本发明并不对金属单元70的形状加以限定。

金属单元70可包括一个或者两个以上的金属件，本发明并不对金属件的数量加以限定。

进一步地，金属单元70的外径大于支撑件212的外径，由于与绝缘单元60连接的金属单元70的半径较大，三种材料交接处的半径比较大，能够减弱三种材料交接处的电场强度，且金属单元70能够改变金属单元70附近的电场分布形状，对于三种材料交接处附近的电场起到的屏蔽作用，能够均匀管壳10内的电场分布。

实施例三

请参见图7，图7为实施例三中绝缘单元与金属单元的结构示意图。本实施例中所示的结构与实施例一中的结构基本相同，相同部分在此就不再赘述，其不同之处在于：

X射线管100还包括屏蔽单元80，屏蔽单元80设于电极单元20的一端，并环绕金属单元70设置，且屏蔽单元80能够覆盖三种材料交接处，屏蔽单元80能够改变附近的电场形状，能够进一步使三种材料交接处的电场线和等势线变稀疏。在本实施例中，金属单元70与支撑件212的形状及外径分别相同。屏蔽单元80可为钨、钨合金等金属材料，本发明并不对屏蔽单元80的材料加以限定。

实施例四

请参见图8，图8为实施例四中绝缘单元60与金属单元70的结构示意图。金属单元70呈圆筒状，且金属单元70的外径大于支撑件212的外径，在其他实施例中，金属单元70还呈圆台状或者其他形状，外径还可设置为小于支撑件212的外径。

具体地，绝缘单元60朝向电极单元20的侧面开设有凹槽61，屏蔽单元80远离电极单元20的一端延伸至凹槽61内，并与凹槽61的槽壁间隔设置。可以理解，屏蔽单元80的一端延伸至凹槽61内，能够将三种材料交接处覆盖，且屏蔽单元80与凹槽61的槽壁间隔。可以理解，如此设置，可防止形成新的三种材料的交接点，从而形成新的畸形电场线。屏蔽单元80的一端的截面可呈锥形或弧形，凹槽61可根据屏蔽单元80一端的形状相应设置，凹槽61的截面呈锥形或弧形并环绕绝缘单元60的周向设置，屏蔽单元80还可呈柱状或者其他形状，本发明并不对屏蔽单元80的形状加以限定，只要能够覆盖三种材料交接处即可。

请一并参阅图9及图10，图9为其中一个实施方式中X射线管100中绝缘单元60的结构示意图，图10为另一个实施方式中X射线管100中绝缘单元60的结构示意图。

具体地，绝缘单元60朝向电极单元20的侧面设有波纹层(图未标注)，以增加绝缘单元60的爬电距离，在阳离子轰击绝缘单元60的表面时，增加绝缘单元60的爬电距离能够降低绝缘单元60表面发生闪络打火的可能性。

优选地，波纹层在绝缘单元60轴向上的厚度与绝缘单元60半径的比值范围为1/30～1/20。可以理解，如此设置，既能降低绝缘单元60表面闪络的可能性，又能节省成本。若波纹层设置得太薄，则爬电距离太小，影响绝缘单元60的绝缘性能，若波纹层设置得太厚，则增加工艺复杂性，提高成本。

波纹层靠近三种材料交接处设置，三种材料交接处附近为高场强区，离子容易轰击靠近高场强区的绝缘单元60的表面，波纹层靠近高场强区，则能够更好地保护绝缘单元60。

绝缘单元60包括多个绝缘部62，且沿绝缘单元60的径向，绝缘部62的介电强度依次减弱。可以理解，沿着远离高压线缆30的方向，管壳10内电场强度逐渐减弱，绝缘部62的介电强度依次减弱，高介电强度对应高场强区，能够降低高场强区的打火或击穿几率；并且，介电强度越大的绝缘部62，单位厚度能够承受的电压越大，即，介电强度越大，绝缘部62的质量越好，如此分段设置，能够降低绝缘单元60的成本。

在其中一个实施方式中，每个绝缘部62采用不同的材料制作，或者，每个绝缘部62采用种类相同且纯度不同的材料制作，以使每个绝缘部62的介电常数及电阻率不同。通过不同介电常数及不同电阻率的组合，优化绝缘部62内部的电场强度，使得局部的电场强度降低，从而减小打火几率。

在另一个实施方式中，绝缘部62的厚度沿着绝缘单元60的径向递减，在这里，厚度指的是沿绝缘单元60轴向上的厚度。可以理解，绝缘部62的介电常数及电阻率沿着绝缘单元60的径向逐渐减弱，能够优化绝缘部62内部的电场强度，减小打火几率，且能够降低绝缘单元60的成本。

沿绝缘单元60的径向，绝缘部62厚度线性递减，即，绝缘单元60的表面光滑无台阶，降低尖端打火的可能性。

绝缘单元60朝向电极单元20的侧面铺设有金属氧化层(图未标注)，以增加绝缘单元60表面的电阻率，在离子轰击绝缘单元60表面时，金属氧化层能够对以绝缘单元60的表面起到保护作用，减少绝缘单元60表面的二次电子发射，抑制绝缘单元60表面的打火，防止绝缘单元60的表面被击穿。金属氧化层可为氧化铬、氧化锰、氧化钛或者其他不导电的金属氧化层，本发明不对金属氧化层的种类进行限定。金属氧化层可通过喷涂、烧结等方式铺设至绝缘单元60的表面。

进一步地，管壳10接地设置，以防止管壳10漏电。

本发明还提供一种医疗成像设备，医疗成像设备包括上述的X射线管100。

本发明提供的X射线管100，通过在电极单元20和绝缘单元60之间设置金属单元70，金属单元70能够使附近的电场线和等势线变得稀疏，对于绝缘单元60、金属单元70、真空的交界处的电场产生屏蔽作用，能够均匀管腔11内的电场分布，降低打火几率，降低绝缘单元60失效的可能性，且电场的垂直分量和水平分量的值都较低，因此就算发生打火，较低的垂直分量和水平分量也能够对于打火进行抑制；且通过在绝缘单元60的表面设置波纹层，能够延长绝缘单元60表面的爬电距离，降低绝缘单元60的沿面打火几率；同时，在绝缘单元60表面铺设有金属氧化层，能够抑制二次电子的发射，进一步降低绝缘单元60表面的打火几率；另外通过绝缘部62不同介电常数及不同电阻率组合设置，优化绝缘部62内部的电场强度，使得局部的电场强度降低，从而减小打火几率。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种X射线管，包括管壳(10)、电极单元(20)及绝缘单元(60)，所述电极单元(20)及所述绝缘单元(60)位于所述管壳(10)内，所述绝缘单元(60)抵接于所述管壳(10)，且位于所述电极单元(20)的一侧；

其特征在于，所述X射线管还包括位于所述管壳(10)内的金属单元(70)，所述金属单元(70)的一端与所述电极单元(20)连接，另一端穿设于所述绝缘单元(60)，且所述金属单元(70)与所述绝缘单元(60)抵接。

2.如权利要求1所述的X射线管，其特征在于，所述电极单元(20)包括支撑件(212)，所述金属单元(70)与所述支撑件(212)连接，所述金属单元(70)形状不同于所述支撑件(212)的形状。

3.如权利要求1所述的X射线管，其特征在于，所述X射线管还包括屏蔽单元(80)，所述屏蔽单元(80)与所述电极单元(20)连接并环绕于所述金属单元(70)周侧，且能够覆盖所述金属单元(70)与所述绝缘单元(60)之间的连接处。

4.如权利要求3所述的X射线管，其特征在于，所述绝缘单元(60)朝向所述电极单元(20)的侧面开设有凹槽(61)，所述屏蔽单元(80)远离所述电极单元(20)的一端延伸至所述凹槽(61)内，并与所述凹槽(61)的槽壁间隔设置。

5.如权利要求1所述的X射线管，其特征在于，所述绝缘单元(60)朝向所述电极单元(20)的侧面设有波纹层。

6.如权利要求5所述的X射线管，其特征在于，沿所述绝缘单元(60)的轴向，所述波纹层的厚度与所述绝缘单元(60)半径的比值范围为1/30～1/20。

7.如权利要求1所述的X射线管，其特征在于，所述绝缘单元(60)包括多个绝缘部(62)，且沿所述绝缘单元(60)的径向，所述绝缘部(62)的介电强度依次减弱。

8.如权利要求7所述的X射线管，其特征在于，所述绝缘部(62)采用不同的绝缘材料制作；或者，所述绝缘部(62)采用相同种类且不同纯度的绝缘材料制作。

9.如权利要求7所述的X射线管，其特征在于，所述绝缘部(62)在所述绝缘单元(60)的轴线方向上的厚度，沿着所述绝缘单元(60)的径向递减。

10.如权利要求1所述的X射线管，其特征在于，所述绝缘单元(60)朝向所述电极单元(20)的侧面铺设有金属氧化层。

11.一种医疗成像设备，其特征在于，所述医疗成像设备包括如权利要求1～10任意一项所述的X射线管。

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