CN111769823B - 基于同轴电容器的亚纳秒前沿脉冲电源及其产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脉冲电源及其产生方法，特别涉及一种基于同轴电容器的亚纳秒前沿脉冲电源及其产生方法，解决了现有脉冲电源不能既满足快前沿输出，又满足在高电压、强电场、小体积要求的设备环境中使用的问题。该电源包括壳体、设在壳体一端开口处的同轴电容器、设在壳体同轴电容器所在一端外侧的与同轴电容器同轴的传输线负载，还包括高压开关、电极调节机构及设在壳体上的电源引入单元；传输线负载包括同轴套装且固连的外筒和内筒；外筒与壳体固连；高压开关的第一电极固定在内筒靠近同轴电容器一端筒口处，第二电极同轴插装在同轴电容器内部；电极调节机构驱动第二电极轴向滑动；壳体、外筒、内筒及第一电极围成的腔体内填充有高压绝缘气体。

Description

基于同轴电容器的亚纳秒前沿脉冲电源及其产生方法

技术领域

本发明涉及一种脉冲电源及其产生方法，特别涉及一种基于同轴电容器的亚纳秒前沿脉冲电源及其产生方法。

背景技术

随着脉冲功率技术的发展，对脉冲电源的要求越来越高。在测量系统标定、快放电测试等领域越来越多的要求电压源的前沿要小于1ns，脉宽几十甚至上百纳秒。而快前沿脉冲电源的研制又涉及紧凑型高压电源与负载一体化技术、高压开关技术和无损传输线渐变技术等诸多技术领域。其中，高压开关是脉冲功率技术领域中的关键器件，它连接着储能器件和负载，其性能影响输出电压波形的上升时间、形状和幅值。应用在脉冲功率技术领域中的高压开关有气体开关、真空开关、半导体开关、机械开关等，不同的应用场合对高压开关的性能和类型要求也不尽相同。

常用的脉冲电源中，高压开关一般与储能器件、负载传输线分别封装，连接于电路中。脉冲电源输出脉冲的前沿由储能器件、高压开关、负载及其连接结构的回路总电感决定。储能器件一般均采用电容器储能，电容器结构通常为平板型结构，两端引出正负极；高压开关一般采用两电极对称设计，内充绝缘气体或液体，高压开关电感由结构决定，不能调节；回路中串入的电感与脉冲电源结构、连接件尺寸等因素有关。一般情况下，由于高压下的绝缘要求，器件尺寸和布局受到限制，器件间距离不能太小，距离太小会造成绝缘击穿，进而影响电源的安全性。

然而，在高电压、强电场的设备环境中，一般要求脉冲电源回路的体积尽可能小。因而，在高电压、强电场的设备环境中，若要脉冲电源输出快前沿，采用现有的平板型电容器、高压开关、负载分别封装设计的分体式设计思路，实现非常困难，在技术上和制造成本上都是不可取的。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于同轴电容器的亚纳秒前沿脉冲电源及其产生方法，以解决现有脉冲电源不能既满足快前沿输出，又能满足在高电压、强电场、小体积要求的设备环境中使用的技术问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于同轴电容器的亚纳秒前沿脉冲电源，其特殊之处在于：

包括壳体、同轴电容器、传输线负载、高压开关、电极调节机构以及电源引入单元；

所述壳体由导电材料制成；

所述同轴电容器固定设置在壳体内，且位于壳体一端端头的开口处；所述同轴电容器为筒状结构；所述同轴电容器的内圆柱面为同轴电容器的高压电极端；所述同轴电容器的外圆柱面为同轴电容器的接地端；所述同轴电容器的接地端与壳体之间电连接；

所述传输线负载包括同轴套装且固连的外筒和内筒；所述外筒和内筒均由导电材料制成且二者之间设置有负载间隙；所述传输线负载设置在壳体的同轴电容器所在一端的外侧，且与同轴电容器同轴设置；所述外筒与壳体固连，且通过壳体与同轴电容器的接地端电连接；

所述高压开关包括第一电极和第二电极；

所述第一电极设置在所述内筒靠近同轴电容器一端的筒口处，与内筒固连，且二者间电连接；

所述第二电极同轴插装在同轴电容器的筒状结构内部，且可相对于同轴电容器沿轴向滑动；所述第二电极上设置有连通同轴电容器两端面外侧空腔的气流过孔；所述第二电极指向传输线负载的一端端面与所述第一电极指向同轴电容器的一端端面之间构成放电间隙；

所述电极调节机构包括中间轴支撑单元和调节杆；

所述中间轴支撑单元固定设置在壳体内部，且位于同轴电容器的传输线负载所在一侧的相反侧；所述中间轴支撑单元包括同轴套装且固连的外套和内套；所述外套由电绝缘材料制成；所述内套由导电材料制成，且其两端开口；所述内套通过外套与壳体之间电绝缘；

所述第二电极伸出同轴电容器后插入内套中，可相对于内套轴向滑动；所述同轴电容器的高压电极端通过第二电极与内套电连接；

所述调节杆由电绝缘材料制成；所述调节杆与第二电极同轴设置，其一端与第二电极远离传输线负载的一端固连，另一端穿过壳体后外伸，与壳体之间螺纹连接；

在所述壳体、外筒、内筒以及第一电极四者所围成的密闭腔体内填充有高压绝缘气体；

所述电源引入单元设置在壳体上，用于给同轴电容器充电。

进一步地，所述同轴电容器为高介电常数的陶瓷同轴电容器。高介电常数的陶瓷同轴电容器，其储能密度高，储能相同的情况下，体积小，能够更优的满足小体积要求。

进一步地，为了防止对同轴电容器的影响，以形成稳定的电场，降低绝缘风险，在所述同轴电容器与外筒的端面之间设置有电绝缘垫圈。

进一步地，所述外筒的内圆柱面直径尺寸与同轴电容器的外圆柱面直径尺寸一致。这样，通过调整传输线负载的外筒与内筒的半径比，即可保证设计要求的阻抗。

进一步地，所述传输线负载的阻抗和外筒与内筒的内径尺寸之比正相关。

进一步地，所述传输线负载的阻抗大于等于50Ω。这样，能够更好的实现亚纳秒前沿。

进一步地，所述同轴电容器的内圆柱面和外圆柱面均进行镀银处理；

所述同轴电容器的棱边均进行圆滑处理。进行镀银处理，可使同轴电容器的高压电极端和接地端导电性能更好；同轴电容器的外圆柱面和内圆柱面的半径差即同轴电容器高低压电极之间的绝缘距离，同轴电容器的棱边进行圆滑处理，可减小电场、提高绝缘性能。

进一步地，所述电源引入单元包括由内至外依次同轴套装且固连的接线柱、电绝缘套以及接地套；所述接线柱与接地套均由导电材料制成；

所述接地套与壳体固连，且二者电连接；

所述接线柱通过电绝缘套与接地套和壳体电绝缘；

所述接线柱与内套电连接。这样，电源引入单元的结构较为简单。

进一步地，为了方便测量，还包括测量接口；

所述测量接口设置在外筒上，用于测量输出的脉冲电压的波形或连接电容分压器。

本发明还提供了一种基于同轴电容器的亚纳秒前沿脉冲电源产生方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1：将同轴电容器固定设置在壳体内，且位于壳体一端端头的开口处；所述同轴电容器为筒状结构；同轴电容器的内圆柱面为同轴电容器的高压电极端；同轴电容器的外圆柱面为同轴电容器的接地端；将同轴电容器的接地端与壳体之间电连接；

步骤2：将高压开关的第一电极固定安装到传输线负载的内筒一端筒口处，二者间电连接；将高压开关的第二电极同轴插装在同轴电容器的筒状结构内部；

步骤3：将传输线负载设置在壳体的同轴电容器所在一端的外侧，与同轴电容器同轴设置，传输线负载上第一电极所在一端指向同轴电容器；将传输线负载的外筒与壳体固连，通过壳体与同轴电容器的接地端电连接；所述第二电极指向传输线负载的一端端面与所述第一电极指向同轴电容器的一端端面之间构成放电间隙；

步骤4：给壳体、外筒、内筒以及第一电极四者所围成的密闭腔体内填充高压绝缘气体；

步骤5：给同轴电容器充电；

步骤6：通过机械方式轴向减小第二电极与第一电极之间的间隙，实现第二电极与第一电极之间的自击穿，进而实现同轴电容器向传输线负载注入脉冲电压。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的基于同轴电容器的亚纳秒前沿脉冲电源，整个设备采用一体化设计思路，采用同轴电容器作为初级储能元件，其相对于平板电容器，同等绝缘压力下放电回路避免了连接性功能部件，从而降低了整个电源的电感；高压开关的第二电极同轴插装在同轴电容器的筒状结构内部，且可相对于同轴电容器沿轴向滑动，高压开关的第一电极设置在传输线负载内筒靠近同轴电容器一端的筒口处，传输线负载与同轴电容器同轴设置；这样，同轴电容器、高压开关、传输线负载三者之间构成同轴结构，该同轴结构及一体化设计可最大限度减小连接结构电感，进而实现亚纳秒前沿；同时，由于采用一体化设计思路，该脉冲电源体积小；再者，在壳体、外筒、内筒以及第一电极四者所围成的密闭腔体内填充有高压绝缘气体，这样，降低了高压开关击穿时火花电感，试验证明其输出脉冲前沿小于1ns，半宽可达几十至数百纳秒；因此，本发明解决了现有脉冲电源不能既满足快前沿输出，又能满足在高电压、强电场、小体积要求的设备环境中使用的技术问题。本发明通过电极调节机构能够可放电地调整该脉冲电源的输出电压，根据工作要求，其输出电压在300V～30kV连续可调。

(2)本发明中的同轴电容器优选地为高介电常数的陶瓷同轴电容器，高介电常数的陶瓷同轴电容器，其储能密度高，储能相同的情况下，体积小，能够更优的满足小体积要求。

(3)本发明中高压开关的两个电极之间不需要用玻璃等隔开，采用敞开结构，不用密封，其结构简单；高压开关的两个电极分别兼做同轴电容器的高压电极端(第二电极与同轴电容器的高压电极端电连接)和负载传输线的内筒(第一电极与内筒固连且电连接)，并且优选地传输线负载的外筒内圆柱面直径尺寸与同轴电容器的外圆柱面直径尺寸一致，这样，通过调整传输线负载的外筒与内筒的半径比，即可保证设计要求的阻抗。

(4)本发明具有扩展性，可根据需求更换同轴电容器，实现多脉宽输出。传输线负载具有可扩展性，传输线负载的最小阻抗为50Ω，可根据要求更换传输线负载，扩展至更高阻抗的负载范围。

(5)本发明提供了一种结构更加紧凑，电感和绝缘性能优良的脉冲电源设计思路。

(6)本发明的基于同轴电容器的亚纳秒前沿脉冲电源，可用于高压快沿脉冲电源中，该脉冲电源适用结构紧凑、气体压力大的工作环境，可在50Ω等效负载上产生前沿小于1ns，半宽几十至几百纳秒的双指数电压波形。

附图说明

图1是按功能划分本发明实施例结构时，其组成部分及相互间的连接关系示意图；

图2是本发明实施例的结构示意图。

图中各标号的说明如下：

1-壳体，2-同轴电容器，3-传输线负载，31-外筒，32-内筒，4-高压开关，41-第一电极，42-第二电极，421-气流过孔，5-电极调节机构，51-中间轴支撑单元，511-外套，512-内套，52-调节杆，6-电源引入单元，61-接线柱，62-电绝缘套，63-接地套，7-电绝缘垫圈，8-测量接口，9-铍铜弹垫。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参见图1，本发明一种基于同轴电容器的亚纳秒前沿脉冲电源，其从功能上划分，主要包括同轴电容器、高压开关以及传输线负载。

参见图2，本发明一种基于同轴电容器的亚纳秒前沿脉冲电源，其结构包括壳体1、同轴电容器2、传输线负载3、高压开关4、电极调节机构5以及电源引入单元6。

上述壳体1由导电材料制成。上述同轴电容器2固定设置在壳体1内，且位于壳体1一端端头的开口处；同轴电容器2为筒状结构；同轴电容器2的内圆柱面为同轴电容器2的高压电极端；同轴电容器2的外圆柱面为同轴电容器2的接地端；同轴电容器2的接地端与壳体1之间电连接。本实施例优选地在壳体1的内表上设置有凹槽，在凹槽中设置有铍铜弹垫9，通过铍铜弹垫9，保证同轴电容器2的接地端与壳体1之间良好的电连接。上述传输线负载3包括同轴套装且固连的外筒31和内筒32；外筒31和内筒32均由导电材料制成且二者之间设置有负载间隙；传输线负载3设置在壳体1的同轴电容器2所在一端的外侧，且与同轴电容器2同轴设置；外筒31与壳体1固连，且通过壳体1与同轴电容器2的接地端电连接。上述高压开关4包括第一电极41和第二电极42；第一电极41设置在上述内筒32靠近同轴电容器2一端的筒口处，与内筒32固连，且二者间电连接；第二电极42同轴插装在同轴电容器2的筒状结构内部，且可相对于同轴电容器2沿轴向滑动；第二电极42上设置有连通同轴电容器2两端面外侧空腔的气流过孔421；第二电极42指向传输线负载3的一端端面与第一电极41指向同轴电容器2的一端端面之间构成放电间隙。上述电极调节机构5包括中间轴支撑单元51和调节杆52；中间轴支撑单元51固定设置在壳体1内部，且位于同轴电容器2的传输线负载3所在一侧的相反侧；中间轴支撑单元51包括同轴套装且固连的外套511和内套512；外套511由电绝缘材料制成；内套512由导电材料制成，且其两端开口；内套512通过外套511与壳体1之间电绝缘。上述第二电极42伸出同轴电容器2后插入内套512中，可相对于内套512轴向滑动；同轴电容器2的高压电极端通过第二电极42与内套512电连接。上述调节杆52由电绝缘材料制成；调节杆52与第二电极42同轴设置，其一端与第二电极42远离传输线负载3的一端固连，另一端穿过壳体1后外伸，与壳体1之间螺纹连接。在上述壳体1上设置有高压绝缘气体入口(图上未示出)，在外筒31上设置有高压绝缘气体出口(图上未示出)，在上述壳体1、外筒31、内筒32以及第一电极41四者所围成的密闭腔体内填充有高压绝缘气体。上述电源引入单元6设置在壳体1上，用于外接高压直流源，给同轴电容器2充电。

本实施例中，为了更优的满足小体积要求，优选地同轴电容器2为高介电常数的陶瓷同轴电容器；为了同轴电容器的高压电极端和接地端导电性能更好，优选地同轴电容器2的内圆柱面和外圆柱面均进行镀银处理；为了减小电场、提高绝缘性能，优选地同轴电容器2的棱边均进行圆滑处理；为了防止对同轴电容器2的影响，以形成稳定的电场，降低绝缘风险，优选地同轴电容器2与外筒31的端面之间设置有电绝缘垫圈7；为了方便保证设计要求的阻抗，优选地上述外筒31的内圆柱面直径尺寸与同轴电容器2的外圆柱面直径尺寸一致，传输线负载3的阻抗和外筒31与内筒32的内径尺寸之比正相关，这样通过调整传输线负载的外筒与内筒的半径比，即可保证设计要求的阻抗；为了更好的实现亚纳秒前沿，优选地传输线负载3的阻抗大于等于50Ω。

本实施例中，上述电源引入单元6优选地包括由内至外依次同轴套装且固连的接线柱61、电绝缘套62以及接地套63；接线柱61与接地套63均由导电材料制成；接地套63与壳体1固连，且二者电连接；接线柱61通过电绝缘套62与接地套63和壳体1电绝缘；接线柱61与内套512电连接。这样，通过接线柱61外接高压直流源，给同轴电容器2充电。

本实施例的基于同轴电容器的亚纳秒前沿脉冲电源，优选地在外筒31上还设置有测量接口8。该测量接口8可用于测量输出的脉冲电压的波形或连接电容分压器。

本发明还提供了一种基于同轴电容器的亚纳秒前沿脉冲电源产生方法，包括以下步骤：

步骤1：将同轴电容器2固定设置在壳体1内，且位于壳体1一端端头的开口处；同轴电容器2为筒状结构；同轴电容器2的内圆柱面为同轴电容器2的高压电极端；同轴电容器2的外圆柱面为同轴电容器2的接地端；将同轴电容器2的接地端与壳体1之间电连接；

步骤2：将高压开关4的第一电极41固定安装到传输线负载3的内筒32一端筒口处，二者间电连接；将高压开关4的第二电极42同轴插装在同轴电容器2的筒状结构内部；

步骤3：将传输线负载3设置在壳体1的同轴电容器2所在一端的外侧，与同轴电容器2同轴设置，传输线负载3上第一电极41所在一端指向同轴电容器2；将传输线负载3的外筒31与壳体1固连，通过壳体1与同轴电容器2的接地端电连接；第二电极42指向传输线负载3的一端端面与第一电极41指向同轴电容器2的一端端面之间构成放电间隙；

步骤4：给壳体1、外筒31、内筒32以及第一电极41四者所围成的密闭腔体内填充高压绝缘气体；

步骤5：给同轴电容器2充电；

步骤6：通过机械方式轴向减小第二电极42与第一电极41之间的间隙，实现第二电极42与第一电极41之间的自击穿，进而实现同轴电容器2向传输线负载3注入脉冲电压。

本发明的基于同轴电容器的亚纳秒前沿脉冲电源，有两种工作模式，具体为：

第一种：转动调节杆52调节高压开关4的第二电极42至特定距离后，通过高压直流源向同轴电容器2两极之间充电至高压开关4自击穿，脉冲电压馈入传输线负载3。

第二种：通过高压直流源向同轴电容器2两极之间充电至目标电压后，再转动调节杆52调节高压开关4的第二电极42，减小第二电极42与第一电极41之间的间隙至高压开关4自击穿，脉冲电压馈入传输线负载3。

本发明通过电极调节机构能够可放电地调整该脉冲电源的输出电压，根据工作要求，其输出电压在300V～30kV连续可调。

Claims (10)

1.一种基于同轴电容器的亚纳秒前沿脉冲电源，其特征在于：

包括壳体(1)、同轴电容器(2)、传输线负载(3)、高压开关(4)、电极调节机构(5)以及电源引入单元(6)；

所述壳体(1)由导电材料制成；

所述同轴电容器(2)固定设置在壳体(1)内，且位于壳体(1)一端端头的开口处；所述同轴电容器(2)为筒状结构；所述同轴电容器(2)的内圆柱面为同轴电容器(2)的高压电极端；所述同轴电容器(2)的外圆柱面为同轴电容器(2)的接地端；所述同轴电容器(2)的接地端与壳体(1)之间电连接；

所述传输线负载(3)包括同轴套装且固连的外筒(31)和内筒(32)；所述外筒(31)和内筒(32)均由导电材料制成且二者之间设置有负载间隙；所述传输线负载(3)设置在壳体(1)的同轴电容器(2)所在一端的外侧，且与同轴电容器(2)同轴设置；所述外筒(31)与壳体(1)固连，且通过壳体(1)与同轴电容器(2)的接地端电连接；

所述高压开关(4)包括第一电极(41)和第二电极(42)；

所述第一电极(41)设置在所述内筒(32)靠近同轴电容器(2)一端的筒口处，与内筒(32)固连，且二者间电连接；

所述第二电极(42)同轴插装在同轴电容器(2)的筒状结构内部，且可相对于同轴电容器(2)沿轴向滑动；所述第二电极(42)上设置有连通同轴电容器(2)两端面外侧空腔的气流过孔(421)；所述第二电极(42)指向传输线负载(3)的一端端面与所述第一电极(41)指向同轴电容器(2)的一端端面之间构成放电间隙；

所述电极调节机构(5)包括中间轴支撑单元(51)和调节杆(52)；

所述中间轴支撑单元(51)固定设置在壳体(1)内部，且位于同轴电容器(2)的传输线负载(3)所在一侧的相反侧；所述中间轴支撑单元(51)包括同轴套装且固连的外套(511)和内套(512)；所述外套(511)由电绝缘材料制成；所述内套(512)由导电材料制成，且其两端开口；所述内套(512)通过外套(511)与壳体(1)之间电绝缘；

所述第二电极(42)伸出同轴电容器(2)后插入内套(512)中，可相对于内套(512)轴向滑动；所述同轴电容器(2)的高压电极端通过第二电极(42)与内套(512)电连接；

所述调节杆(52)由电绝缘材料制成；所述调节杆(52)与第二电极(42)同轴设置，其一端与第二电极(42)远离传输线负载(3)的一端固连，另一端穿过壳体(1)后外伸，与壳体(1)之间螺纹连接；

在所述壳体(1)、外筒(31)、内筒(32)以及第一电极(41)四者所围成的密闭腔体内填充有高压绝缘气体；

所述电源引入单元(6)设置在壳体(1)上，用于给同轴电容器(2)充电。

2.根据权利要求1所述的基于同轴电容器的亚纳秒前沿脉冲电源，其特征在于：所述同轴电容器(2)为高介电常数的陶瓷同轴电容器。

3.根据权利要求2所述的基于同轴电容器的亚纳秒前沿脉冲电源，其特征在于：在所述同轴电容器(2)与外筒(31)的端面之间设置有电绝缘垫圈(7)。

4.根据权利要求3所述的基于同轴电容器的亚纳秒前沿脉冲电源，其特征在于：所述外筒(31)的内圆柱面直径尺寸与同轴电容器(2)的外圆柱面直径尺寸一致。

5.根据权利要求4所述的基于同轴电容器的亚纳秒前沿脉冲电源，其特征在于：所述传输线负载(3)的阻抗和外筒(31)与内筒(32)的内径尺寸之比正相关。

6.根据权利要求1至5任一所述的基于同轴电容器的亚纳秒前沿脉冲电源，其特征在于：所述传输线负载(3)的阻抗大于等于50Ω。

7.根据权利要求6所述的基于同轴电容器的亚纳秒前沿脉冲电源，其特征在于：

所述同轴电容器(2)的内圆柱面和外圆柱面均进行镀银处理；

所述同轴电容器(2)的棱边均进行圆滑处理。

8.根据权利要求7所述的基于同轴电容器的亚纳秒前沿脉冲电源，其特征在于：

所述电源引入单元(6)包括由内至外依次同轴套装且固连的接线柱(61)、电绝缘套(62)以及接地套(63)；所述接线柱(61)与接地套(63)均由导电材料制成；

所述接地套(63)与壳体(1)固连，且二者电连接；

所述接线柱(61)通过电绝缘套(62)与接地套(63)和壳体(1)电绝缘；

所述接线柱(61)与内套(512)电连接。

9.根据权利要求7所述的基于同轴电容器的亚纳秒前沿脉冲电源，其特征在于：

还包括测量接口(8)；

所述测量接口(8)设置在外筒(31)上，用于测量输出的脉冲电压的波形或连接电容分压器。

10.一种基于同轴电容器的亚纳秒前沿脉冲电源产生方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将同轴电容器(2)固定设置在壳体(1)内，且位于壳体(1)一端端头的开口处；所述同轴电容器(2)为筒状结构；同轴电容器(2)的内圆柱面为同轴电容器(2)的高压电极端；同轴电容器(2)的外圆柱面为同轴电容器(2)的接地端；将同轴电容器(2)的接地端与壳体(1)之间电连接；

步骤2：将高压开关(4)的第一电极(41)固定安装到传输线负载(3)的内筒(32)一端筒口处，二者间电连接；将高压开关(4)的第二电极(42)同轴插装在同轴电容器(2)的筒状结构内部；

步骤3：将传输线负载(3)设置在壳体(1)的同轴电容器(2)所在一端的外侧，与同轴电容器(2)同轴设置，传输线负载(3)上第一电极(41)所在一端指向同轴电容器(2)；将传输线负载(3)的外筒(31)与壳体(1)固连，通过壳体(1)与同轴电容器(2)的接地端电连接；所述第二电极(42)指向传输线负载(3)的一端端面与所述第一电极(41)指向同轴电容器(2)的一端端面之间构成放电间隙；

步骤4：给壳体(1)、外筒(31)、内筒(32)以及第一电极(41)四者所围成的密闭腔体内填充高压绝缘气体；

步骤5：给同轴电容器(2)充电；

步骤6：通过机械方式轴向减小第二电极(42)与第一电极(41)之间的间隙，实现第二电极(42)与第一电极(41)之间的自击穿，进而实现同轴电容器(2)向传输线负载(3)注入脉冲电压。

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