CN111800930B - 一种能够模拟电离层等离子体环境的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能够模拟电离层等离子体环境的试验装置，包括仓筒，仓筒内部固定有加速栅网，加速栅网上方设置有等离子体源，加速栅网与第一电源的正极连接，第一电源的负极与第二电源的正极连接，第二电源的正、负极分别与等离子体源连接，仓筒还连接有抽真空机构，本发明的试验装置能够产生所需电子密度的等离子体环境，为下一步实验奠定基础。

Description

一种能够模拟电离层等离子体环境的试验装置

技术领域

本发明涉及实验设备技术领域，具体涉及一种能够模拟电离层等离子体环境的试验装置。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

电离层是日地能量传输链中的重要一环，是空间天气的重要组成部分，也是最为贴近空间物理应用层面的地球空间区域。电离层的状态及变化对通讯卫星、导航、火箭运行、遥感定位及超视距雷达探测等有着重要影响。发明人发现，空间环境复杂，当星载探测器升空后，出现探测器不工作或工作状态不理想，这对项目来说将是非常致命的，因此，卫星、火箭及星载探测器在正式升空前需要在实验环境中做大量的实验，如何模拟电离层的等离子体环境就尤为重要。运行于电离层的卫星加载等离子体探测仪器可以直接探测电子密度，其测量结果最为直接和真实，如何验证载荷探测器的准确性，也需要一个能模拟电离层等离子体环境的真空仓，因此亟需设计一个能够模拟电离层等离子体环境的试验设备。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种能够模拟电离层等离子体环境的试验装置，能够产生等离子体环境且能够实现电子密度大小的调节，产生与电离层的空间电子密度相近的等离子体环境，方便后续实验的进行。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供了一种能够模拟电离层等离子体环境的试验装置，包括仓筒，仓筒内部固定有加速栅网，加速栅网上方设置有等离子体源，加速栅网与第一电源的正极连接，第一电源的负极与第二电源的正极连接，第二电源的正、负极分别与等离子体源连接，仓筒还连接有抽真空机构，抽真空机构能够对仓筒内部空间抽真空。

结合第一方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，所述仓筒与水冷机构连接，水冷机构用于对仓筒进行冷却。

结合第一方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，所述第一电源为稳压电源，用于对等离子体源与加速栅网之间提供稳定电压，所述第二电源为可编程电流源，用于对等离子体源激发出电子。

结合第一方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，所述等离子体源包括固定盘，固定盘上设置有金属丝，所述金属丝能用作金属阴极，所述固定盘搭设在加速栅网上。

结合第一方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，所述等离子体源两端分别与固定设置的第一电极柱和第二电极柱连接，第一电极柱和第二电极柱分别接第二电源的正极和负极，所述加速栅网与第三电极柱及第四电极柱连接，第三电极柱与第一电源的正极连接，第一电源的负极与第一电极柱连接。

结合第一方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，所述第一电极柱、第二电极柱、第三电极柱均与水冷机构连接。

结合第一方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，所述抽真空机构包括机械泵和分子泵，分子泵的进口与仓体连接，分子泵的出口与机械泵的进口连接，机械泵的另一个进口与仓体连接。

结合第一方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，所述仓筒连接有进气管和出气管，所述进气管和出气管与仓筒内部空间相连通。

结合第一方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，所述仓筒内设置有等离子探测器，所述等离子探测器与设置在仓筒外的伸缩机构连接，伸缩机构能够带动等离子探测器沿与仓筒轴线垂直的方向运动。

结合第一方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，所述仓筒还安装有电离规和电阻规。

本发明的有益效果：

本发明的实验装置，设置有与第一电源和第二电源连接的等离子体源和加速栅网，能够利用第二电源激发等离子体源的电子，并在第一电源产生的加速电场作用下与仓体内中性粒子碰撞，产生等离子体，并且通过第一电源和第二电源的调节，产生所需要电子密度的等离子体，实现了为下一步实验创造了所需要的等离子体环境，为下一步实验奠定了基础。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例1整体结构示意图；

图2为本发明实施例1第二电源输出恒功率控制原理示意图；

图3为本发明实施例1等离子体源、加速栅网与第一电源和第二电源连接示意图；

图4为本发明实施例1电子与靶粒子碰撞示意图；

图5为本发明实施例1电子密度影响因素结构图；

图6为本发明实施例1源稳定性测试曲线示意图；

图7为本发明实施例1钨丝功率为303W条件下仓体电子密度纵向分布图；

图8为本发明实施例1加速场为1.25×10³V/m条件下仓体电子密度横向分布图；

图9为本发明实施例1钨丝功率为303W条件下仓体电子密度横向分布图；

其中，1.加速栅网，2.等离子体源，3.仓体，4.仓盖，5.第一冷却水进口管，6.第一冷却水出口管，7.第一电极柱，8.第二电极柱，9.第三电极柱，9-1.仓内接线部分，9-2.仓外接线部分，9-3.仓外接线端子，10.第四电极柱，11.第二电源，12.第一电源，13.第二冷却水进口管，14.第二冷却水出口管，15.机械泵，16.分子泵，17.等离子探测器，18.连接杆，19.进气管，20.出气管，21.电离规，22.电阻规，23.观察窗。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，目前需要提供一种模拟电离层等离子体环境的试验装置，方便后续相关实验的进行，针对上述问题，本申请提出了一种能够模拟电离层等离子体环境的试验装置。

本申请的一种典型实施方式实施例1中，一种能够模拟电离层等离子体环境的试验装置，如图1所示，包括仓筒，仓筒内部固定有加速栅网1，加速栅网上方设置有等离子体源2，加速栅网与第一电源的正极连接，第一电源的负极与第二电源的正极连接，第二电源的正、负极分别与等离子体源连接，第一电源能够使加速栅网与等离子体源之间具有正偏压，形成加速电场，所述第二电源能够激发出等离子体源的电子，在加速电场的作用下触碰仓筒内的中性离子，在仓筒内产生等离子体，仓筒还连接有抽真空机构，所述抽真空机构能够对仓筒内部空间进行抽真空。

所述仓筒采用圆柱型结构或立方体结构，优选的，本实施例中，所述仓筒采用圆柱型结构，所述仓筒包括顶部敞口设置的仓体3，所述仓体顶部开拆卸的连接有仓盖4。

所述等离子体源包括固定盘，固定盘上设置有金属丝，所述金属丝能用作金属阴极，金属丝的两端分别与第二电源的正、负极连接，利用第二电源激发出电子，所述固定盘搭设在加速栅网上，使得金属丝与加速栅网具有设定距离，所述设定距离可根据实际需要进行设置，优选的，所述设定距离为8mm。

用作金属阴极的材料应满足下列要求：(1)溢出功低，熔点高，蒸发率小，发射稳定；(2)要有良好的力学性能，尤其是高温性能，防止金属在工作过程中发生下垂、变形、发脆和开裂现象；(3)要具有良好的化学稳定性，不与氧气、水蒸气、二氧化碳等发生化学反应。满足上述要求的金属有钨、钼、钽、铌、铼。

优选的，所述金属丝采用钨丝，钨在各方面具有良好的金属性能，它是生产中采用最多的一种纯金属阴极。由于纯金属钨在高温下会再结晶，纤维状结晶断裂并形成颗粒状结晶，这种结晶晶能很小，会使钨丝下垂和脆裂。为克服这个缺点，本实施例选用含有氧化硅、氧化铝、氧化钾等加成剂的钨丝，在加成剂的作用下，钨丝再结晶时形成相互交结在一起的粗大颗粒，使钨丝的受热脆性得到大幅度的改善。

钨丝温度与其辐射电子有关，要得到均匀稳定的辐射电子，以便产生稳定的等离子体，必须控制钨丝温度为稳定值，而钨丝温度是由钨丝功率大小所决定。钨电阻丝具有温度系数，随着其温度增加电阻率在增加，在温度大于1240K时，电阻率与温度变化关系如下式：

ρ＝-194.101+0.467T+(4.06×10^-5)T² (1)

其中，ρ为钨丝电阻率，T为钨丝的温度

钨丝电阻为：

其中R为钨丝电阻，ρ为钨丝电阻率，l为钨丝长度，s为钨丝截面面积。

当给钨丝通过一定大小的恒流源电流时:P＝I²R(3)

P为钨丝的功率，I为钨丝内的电流，R为钨丝的电阻。

钨丝电阻消耗的功率一是产生热量使其温度升高，二是向周围辐射电子和能量，当其产生热量是主要部分时，钨丝电阻值会变大，则钨丝功率变大，从而又导致钨丝温度增大，形成不能得到稳定温度的正反馈系统。钨丝向外辐射电子量和其温度有关，所以，要得到稳定辐射源，必须控制灯丝的温度稳定，也就是灯丝电阻为不变的常数，加到钨丝电阻的功率主要是产生辐射电子和辐射能量，如果恒流源供电保证电阻不变(其温度不变)，也就是功率恒定。为此，本实施例中，第二电源采用可编程电流源，通过对可编程电流源进行编程调节其电流大小，达到钨丝恒功率的目的。其调节过程如图2所示。

由于等离子体源的电子激发量受温度影响很大，钨丝加热产生大量热量，影响钨丝发射电子浓度，进而等离子体的浓度，要产生稳定的等离子体源，必须控制等离子体源外周环境温度稳定，因此仓筒的仓体连接有水冷机构，用于对等离子体源外周环境进行降温。

所述水冷机构包括冷却水流道及第一冷却水进口管5、第一冷却水出口管6，所述仓体的仓壁内设置有环绕分布的冷却水流道，所述仓体的仓壁上设置有第一冷却水进口管和第一冷却水出口管，所述第一冷却水进口管和第一冷却水出口管分别与冷却水流道的两端相连通，所述第一冷却水进口管与水冷柜连接，水冷柜能够通过第一冷却水进口管向冷却水流道内通入冷却水，换热后的冷却水通过第一冷却水出口管流出。

本实施例中，所述第一电源采用能够输出0-64V的稳压电源，能够在加速栅网和等离子体源之间形成稳定的加速电场。

优选的，所述加速栅网采用钼网。

本实施例中，所述等离子体源和加速栅网与第一电源和第二电源的具体连接方式为：

所述仓盖上设置有四根电极柱，电极柱穿过仓盖，且与仓盖之间设置有绝缘材料，四根电极柱分别为第一电极柱7、第二电极柱8、第三电极柱9和第四电极柱10，所述电极柱采用铜柱，包括仓内接线部分9-1和仓外接线部分9-2，仓内接线部分和仓外接线部分导电连接，仓外接线部分设置有仓外接线端子9-3，仓外接线端子与仓外接线部分可导电连接，仓内接线部分作为仓内接线端子。

如图3所示，所述钨丝的两端分别与第一电极柱7和第二电极柱8导电连接的仓内接线部分连接，第一电极柱和第二电极柱的仓外接线部分通过仓外接线端子及导线与第二电源11的正极和负极连接。

所述加速栅网与第三电极柱和第四电极柱的仓内接线部分连接，利用第三电极柱和第四电极柱的仓内接线部分固定在仓体内部。

所述第三电极柱9的仓外接线端子与第一电源12的正极连接，第一电源的负极与第一电极柱的仓外接线部分通过导线连接。

所述第一电极柱、第二电极柱、第三电极柱及第四电极柱均与水冷机构连接，用于对四个电极柱进行冷却，电极柱内设置有冷却水流道，电极柱上设置有与冷却水流道相连通的第二冷却水进口管13和第二冷却水出口管14，冷却管通过第二冷却水进口管进入一个电极柱的冷却水流道内部，并通过第二冷却水出口管穿出，并通过另一个电极柱的第二冷却水进口管进入该电极柱的冷却水流道，冷却管依次缠绕分布在四个电极柱的冷却水流道内部，其端部与水冷柜连接。

所述仓体的仓壁底部位置连接有抽真空机构，所述抽真空机构采用机械泵15和分子泵16，分子泵的进口通过真空管路与仓体连接，分子泵的出口通过真空管路与机械泵的进口连接，机械泵的另一个进口通过真空管路与仓体连接。分子泵与仓体之间的真空管路、分子泵与机械泵之间的真空管路及机械泵与仓体之间的真空管路均设置有阀门，用于控制管路的导通和关闭。

机械泵稳定转速达1420r/min，抽真空只能达到10^-1Pa左右；不能满足需求(低至10^-4Pa以下)，因此，抽真空机构采用分子泵和机械泵二级抽真空方式，分子泵抽气量为600L/s，其极限压强可达10^-5Pa。

所述仓体内还设置有等离子探测器17，本实施例中，所述等离子探测器采用朗缪尔探针，用于检测等离子体的密度，所述等离子探测器与伸缩机构连接，伸缩机构能够带动等离子探测器在仓体内部沿与仓体轴线垂直的方向运动。

所述伸缩机构采用丝杠传动机构，所述丝杠传动机构采用现有结构，丝杠传动机构包括丝杠、滑块等，所述滑块与伸入仓体内部的连接杆18连接，所述连接杆连接等离子探测器，丝杠与手柄连接，工作人员能够通过手柄带动丝杠转动。

在其他一些实施例中，所述伸缩机构也可采用直线电机或电动推杆等元件，只要能够输出直线运动即可。

所述仓体的上部位置设置有进气管19，下部位置设置有出气管20，进气管和出气管均与仓体内部空间，且进气管和出气管均设置有阀门，进气管用于向仓体内部注入惰性气体，用于电离产生等离子体。

所述仓体的侧部仓壁还设置有电离规21，底部仓壁设置有电阻规22，当仓体气压位于10⁵-1Pa时,仓体真空度测量采用的是电阻规压强测量计；当仓体压强低于1Pa时，电阻规压强测量计不在满足要求，此时仓体真空度测量采用的是电离规压强测量计，其测量范围为10-10^-5Pa，确保腔体在压强较低条件下也能实现压强监测。

所述仓体的侧部仓壁上还设置有观察窗23，用于工作人员观察仓内的实验情况。

本实施例中，所述等离子探测器、电离规、电阻规均与控制柜连接，能够将检测得到的信息传输给控制柜，控制柜与第一电源和第二电源连接，能够控制第一电源和第二电源的工作。

本实施例的试验装置工作时，首先对仓体内部空间利用机械泵和分子泵进行抽真空至设定压强，然后第一电源和第二电源工作，第二电源对钨丝通电，激发钨丝释放电子，第一电源在加速栅网和钨丝之间施加正偏压，形成加速电场，对释放的电子进行加速，电子碰撞仓体内的中性离子，在仓体内产生等离子体，调节第一电源产生的电流大小和第二电源施加的电压大小，能够调节等离子体电子密度，利用等离子探测器实时检测等离子体电子密度，直至达到设定的等离子体电子密度，为下一步的实验提供所需要的等离子体环境。

本实施例的工作原理为：

根据电流的热效应，钨丝通电后，钨丝温度会随电流升高而变大。由理查生-施曼德公式，发射电流密度与钨丝温度关系为：

其中A表示发射常数，T表示钨丝源温度，w₀表示钨丝在绝对零度时的逸出功，k为玻尔兹曼常数。

从式(4)中看出，发射电流密度大小会随钨丝温度的改变而改变，结合电流的热效应，可以通过调节流经钨丝电流对激发电子量进行控制。

在加速场中，不考虑电子碰撞以及E×B漂移等复杂情况，根据能量守恒，则有：

eEd＝E_k-E₀ (5)

e表示元电荷的带电量，E表示钨丝源与加速栅之间的场强，d表示钨丝源与加速栅之间的距离，Ek表示电子加速后的动能，E0表示电子初始动能。由式(5)看出加速后的电子动能Ek大小由钨丝源与加速栅之间电压所决定，即电子温度由钨丝源与加速栅之间电压所决定。

加速后的电子与仓体内的中性粒子发生碰撞，实现两者之间的动量和能量的传递。如图4所示碰撞时坐标x处单位体积入射粒子数目与宽度dx内的靶粒子发生相互作用，则有：

dn_e＝-σn_en_gdx (6)

σ表示截面数据，ne为射向靶粒子的电子密度，ng为靶粒子密度。

方程两边同时乘以速度v,得到关于通量

v为入射电子速度，则有：

对于单位面积内，入射电子与靶粒子发生碰撞的比率可表示为：

故

其中

为初始通量，

为入射电子的平均自由程,则根据入射电子平均自由程λ与入射电子速度v关系计算碰撞频率v_c有：

粒子碰撞频率越大，单位时间内碰撞次数越多其所产生的等离子体密度越大。有上式(4)(5)(10)可得，测量区电离程度与钨丝通电电流、加速电场强度和靶粒子密度有关则对仓体电子密度影响结构如图5所示。

据电子影响因素结构图，考虑到调节参数的稳定性，对于选定的钨丝结构参数，在保持腔内压强处于稳定的情况下，通过调节流经钨丝源电流及加速电场强度对等离子体的电子密度大小进行控制。

对本工作原理进行试验：

实验将从腔体纵向及横向两方面测出，通过调节钨丝流经电流大小和加速电场强度对各点电子密度大小进行测量，实验参数进行如表1所示进行设置。

表1实验参数设置

根据热电子发射原理，当钨丝加热到一定温度，钨丝内的电子具有足够的能量克服金属表面的势垒，电子会产生溢出钨丝，溢出的电子在电场的加速下，会产生电子的定向移动，部分电子碰到加速栅之间产生一定电流，此电流的稳定性决定腔体环境内等离子的稳定程度。在保持钨丝源通电电流为12A，根据基尔霍夫电流定律(KCL)，分别施加不同的电场强度在对钨丝源与加速栅之间的电流进行测量，数据变化曲线如图6所示。在整个测试过程中，由于仓体气流处于动态平衡状态，该检测电流在对应的电场强度下具有小幅波动，最大极差小于5uA，本源具有良好的稳定性。

用5个朗缪尔探针以4cm为间隔等距离纵向分布于腔体内部，在保持钨丝通电功率303W的条件下，分别施加电场强度为1.5×10³V/m、1.75×10³V/m及2×10³V/m，对腔体等离子体的纵向分布进行诊断，电子密度分布如图7所示，图7中，横轴表示探针与钼网之间的沿仓体轴线方向的距离。定义仓体轴线方向为纵向，与纵向垂直的方向为横向。

各测试点的电子密度主要分布于10¹⁰/m³-10¹¹/m³,从单个测试点可以看出随着场强增大腔体中的电子密度逐渐变大；在等场强条件下，各探针测试点处的电子密度都有相同下降趋势；根据电子密度纵向分布曲线合理的选择探针位置可以得到理想的电子密度。

在保持加速电场为1.25×10³V/m条件下，采用距钼网12cm的探针，改变钨丝通电电流，根据热电子发射理论可知，钨丝所激发的电子量与钨丝通电电流得大小有关，而由钨丝所激发出来的电子量决定了测量区内的电子密度。由11.8A到12.2A依次增加电流大小，横向电子密度诊断探针所检测到的电子密度也由4.0×10⁹/m³-1.12×10¹⁰/m³增加到1.0×10¹⁰/m³-1.2×10¹¹/m³。根据定点的变化趋势，要想得到更低的电子密度，我们只需要适当降低钨丝通电电流即可达到；而对于要得到更高的电子密度，将不再采用提升钨丝电流的方法提高电子密度，因为在增加钨丝电流的同时，钨丝会产生大量的热，温度过高对试验设备来说是一个严峻的考验，因此，保持钨丝电流不变的情况下，采用增大加速电场强度来继续提升测量区电子密度，实验结果如图8所示，图8中横轴表示探针的横向移动距离。

如图9所示，将电场强度调整为2.5×10³V/m时，电子密度可达到9×10¹¹/m3；结合图8和图9分析可以看出，该装置通过调节设备参数完全可以达到空间等离子层电子密度范围，图9中的横轴表示探针的横向移动距离。

实验证明，在保持仓体压强不变的条件下，通过调节钨丝源通电电流以及加速电场强度，可以使仓体内的电子密度和空间电子密度相近的范围。相比于起辉放电产生等离子体的密度，本方法产生的等离子密度范围更符合空间等离子体密度范围。该装置结构原理相对简单，对于低等离子体密度有要求的实验室来说更容易筹备和搭建。目前该设备已应用于朗缪尔探针诊断系统之中，通过探针对等离子体环境检测参数分析，仓内等离子体具有良好的稳定性。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种能够模拟电离层等离子体环境的试验装置，其特征在于，包括仓筒，仓筒内部固定有加速栅网，加速栅网上方设置有等离子体源，加速栅网与第一电源的正极连接，第一电源的负极与第二电源的正极连接，第二电源的正、负极分别与等离子体源连接，仓筒还连接有抽真空机构；

所述仓筒与水冷机构连接，水冷机构用于对仓筒进行冷却；

所述第一电源为稳压电源，用于对等离子体源与加速栅网之间提供稳定电压，所述第二电源为可编程电流源，用于对等离子体源激发出电子；

所述等离子体源包括固定盘，固定盘上设置有金属丝，所述金属丝能用作金属阴极，所述固定盘搭设在加速栅网上；

所述金属丝采用钨丝，钨丝温度与其辐射电子有关，要得到均匀稳定的辐射电子，以便产生稳定的等离子体，必须控制钨丝温度为稳定值，而钨丝温度是由钨丝功率大小所决定。

2.如权利要求1所述的一种能够模拟电离层等离子体环境的试验装置，其特征在于，所述等离子体源两端分别与固定设置的第一电极柱和第二电极柱连接，第一电极柱和第二电极柱分别接第二电源的正极和负极，所述加速栅网与第三电极柱及第四电极柱连接，第三电极柱与第一电源的正极连接，第一电源的负极与第一电极柱连接。

3.如权利要求1所述的一种能够模拟电离层等离子体环境的试验装置，其特征在于，所述第一电极柱、第二电极柱、第三电极柱均与水冷机构连接。

4.如权利要求1所述的一种能够模拟电离层等离子体环境的试验装置，其特征在于，所述抽真空机构包括机械泵和分子泵，分子泵的进口与仓体连接，分子泵的出口与机械泵的进口连接，机械泵的另一个进口与仓体连接。

5.如权利要求1所述的一种能够模拟电离层等离子体环境的试验装置，其特征在于，所述仓筒连接有进气管和出气管，所述进气管和出气管与仓筒内部空间相连通。

6.如权利要求1所述的一种能够模拟电离层等离子体环境的试验装置，其特征在于，所述仓筒内设置有等离子探测器，所述等离子探测器与设置在仓筒外的伸缩机构连接，伸缩机构能够带动等离子探测器沿与仓筒轴线垂直的方向运动。

7.如权利要求1所述的一种能够模拟电离层等离子体环境的试验装置，其特征在于，所述仓筒还安装有电离规和电阻规。

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