CN112074067A - 一种用于现场校准的便携式x射线照射装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于现场校准的便携式X射线照射装置，包括移动小车以及安装在移动小车上的X射线照射装置，X射线照射装置包括屏蔽箱，设置在屏蔽箱内的X射线管，安装在屏蔽箱上与X射线管对应的三级钨合金准直光阑，设置在三级钨合金准直光阑一侧的过滤器支架以及安装在过滤器支架上的滤波片，X射线管产生的X射线经过三级钨合金准直光阑和滤波片后射出；屏蔽箱的底部与移动小车的顶部之间安装平移台组件，平移台组件的底部安装升降台组件，平移台组件上安装角位台，角位台安装在屏蔽箱的底部。该装置相比于便携式γ射线照射装置所使用的同位素放射源，便携式X射线照射装置采用的X射线管在运输过程中更为安全方便，断电后无电离辐射。

Description

一种用于现场校准的便携式X射线照射装置

技术领域

本发明涉及电离辐射领域，尤其是一种用于现场校准的便携式X射线照射装置。

背景技术

国内核设施中都配备有大量的X、γ辐射剂量(率)仪，这类仪表在人员防护、场所辐射水平监测和环境辐射水平监测中发挥着重要作用。我国相关法律规定，需要对上述仪表进行定期检定和校准，以确保测量结果的可靠性与可溯源性，传统方法是将仪表运送至经国家授权的剂量监督部门进行校准。该方法存在的问题在于，仪表送检周期较长(通常超过一个月)，尤其对于固定式核应急X、γ辐射剂量(率)仪拆卸不便，不利于监测点测量结果的连续性，故对其辐射监测能力产生较大影响。因此，需利用便携式照射装置提供参考辐射场，在核设施现场对X、γ辐射剂量(率)仪进行校准工作。

目前，国外已开展电离辐射现场校准相关技术研究，研制了现场校准用简易照射器、便携式γ射线照射装置和检验源等用于提供参考辐射，对固定式γ辐射监测仪表进行校准。美国国家标准与技术研究院(NIST)开发出用于检测水面舰艇上固定式γ辐射剂量仪的新型检验源，该检验源主要由⁵⁷Co、⁶⁰Co、¹³⁷Cs、¹³³Ba和²⁵²Cf等放射性核素构成，将其包裹在不锈钢衰减体中以使其各向同性，并分装在直径为15cm的密封球型铝壳内，以增加放射源在水中的浮力，以便检验源意外落海后能够漂浮在水面上，防止放射源丢失。

美国SENTINEL公司研制出用于固定式γ辐射监测仪的便携式γ射线照射装置，其出射口配置有衰减器，以便提供不同剂量率的参考辐射场，该装置非常轻便小巧，便于移动和搬运，但由于受到尺寸限制，不可采用活度过大的同位素作为放射源，仅适用于较低量程范围的仪表校准工作。

在国内，中国原子能科学研究院计量测试部研制出用于固定式环境γ辐射剂量仪的便携式γ射线照射装置，该装置可内置活度为1.85×10⁸Bq的¹³⁷Cs同位素放射源，装置总重量38kg，准直场中散射辐射剂量率总占比小于5％，距离放射源1m处辐射场直径±11cm范围内均匀性好于5％。

上述便携式γ射线照射装置均利用同位素放射源产生参考辐射，主要由放射源室、放射源升降快门(或操作杆)、铅屏蔽体、光阑准直器、铅塞等几部分组成，通常情况下，放射源内置于放射源室内部，铅塞处于关闭状态，以防止放射源产生的电离辐射泄漏。当待检仪表架设完成后，利用升降快门(或操作杆)将放射源提升至固定位置，移除铅塞，放射源产生的γ射线经准直光阑的限束整形后形成均匀的圆锥形参考辐射场，用于待检仪表的校准。

以上的各种装置中，利用同位素放射源作为便携式照射装置的源项，具有放射源丢失的风险，存在运输手续审批困难的缺点。同时，由于放射源时刻都在进行衰变，在使用过程中需对放射源半衰期进行修正。此外，照射装置的升降快门(或操作杆)为手动升降，在放射源升降及移除铅塞的过程中将会对操作者辐射安全产生一定隐患，故限制了其在现场校准工作中的应用。本专利基于以上的技术缺陷，设计一种用于现场校准的便携式X射线照射装置。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在的缺陷，提供一种用于现场校准的便携式X射线照射装置。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:

一种用于现场校准的便携式X射线照射装置，包括移动小车以及安装在移动小车上的X射线照射装置，X射线照射装置包括屏蔽箱，设置在屏蔽箱内的X射线管，安装在屏蔽箱上与X射线管对应的三级钨合金准直光阑，设置在三级钨合金准直光阑一侧的过滤器支架以及安装在过滤器支架上的滤波片，X射线管产生的X射线经过三级钨合金准直光阑和滤波片后射出；

所述屏蔽箱的底部与移动小车的顶部之间安装平移台组件，平移台组件的底部安装升降台组件，平移台组件上安装角位台，角位台安装在屏蔽箱的底部，平移台组件适于控制屏蔽箱内的X射线管在X轴、Y轴方向上水平移动，升降台组件适于控制屏蔽箱内的X射线管在Z轴方向上升降移动，角位台适于控制屏蔽箱内X射线管的俯仰角度调节。

进一步，所述三级钨合金准直光阑包括光阑外壳、压圈、三级钨合金光阑、隔圈组成，压圈安装在光阑外壳的端部，三级钨合金光阑包括通过隔圈相互间隔的第一级光阑、第二级光阑以及第三级光阑；

其中，隔圈由铝合金材料制成，厚度为0.5-2cm，用于将相邻两级光阑隔开，压圈用于将限束光阑整体压紧，三级钨合金光阑的内孔直径随级数增加而增大，最终形成圆锥状X射线出射束。

三级钨合金光阑为限束光阑，为了方便调节X射线出射束角度，共设计有五套不同内孔尺寸限束光阑，形成的X射线出射束半张角分别为3°、5°、8°、10°及15°。

进一步，屏蔽箱的屏蔽材料为3mm 304不锈钢，屏蔽箱上位于X射线管出射口的周围处设置有3mm钨合金屏蔽加强层以加强该位置处的射线屏蔽效果。

进一步，所述平移台组件包括安装在升降台组件顶部的X轴平移组件和Y轴平移组件，X轴平移组件包括第一步进电机，与第一步进电机连接的第一滚珠丝杠，安装在第一滚珠丝杠的丝杠套上的X轴平移板，X轴平移板的底部配合安装X轴滑轨；

所述Y轴平移组件包括第二步进电机，与第二步进电机连接的第二滚珠丝杠，安装在第二滚珠丝杠的丝杠套上的Y轴平移板，Y轴平移板的底部配合安装Y轴滑轨，Y轴滑轨安装在X轴平移板上。

进一步，所述升降台组件包括设置在移动小车顶部的升降台面板，设置在移动小车内的升降气缸，升降气缸通过升降台导柱连接升降台面板的底部，升降台面板位于X轴平移组件的底部，升降台面板的底部设有升降台底座。

进一步，所述角位台包括底座，设置在底座内的蜗杆，与蜗杆配合的涡轮，设置在涡轮上方的下台面和上台面，底座的外侧设有与蜗杆端部通过联轴器连接的电机，蜗杆的两端安装轴承，上台面的顶部安装所述屏蔽箱。

进一步，所述移动小车的顶部安装两个激光测距仪，使用时，分别使一个激光测距仪位置固定，一个激光测距仪滑动，同时测量移动小车前沿与竖直墙壁之间的距离，以验证X射线照射装置整体与墙面是否保持平行。

进一步，所述移动小车的底部安装福马轮、双轴电子水平仪，移动小车上安装控制器和控制面板，控制面板上的按钮对X射线管的三维空间位置以及俯仰角度进行调节；该X射线照射装置还配备有摄像监控装置，摄像监控装置连接远程显示屏。

进一步，X射线管产生的X射线经三级钨合金光阑准直整形，并经附加过滤后形成均匀的圆锥形便携式过滤X射线参考辐射场，用于现场校准X、γ辐射剂量仪，采用“准直场”法对被校仪表开展现场校准，具体方法如下：

利用传递标准装置(即可溯源至国家基准的次级标准电离室)对便携式过滤X射线参考辐射场各参考点(与X射线机焦斑距离范围0.5m-5m，两相邻参考点间距0.5m)剂量率约定真值D进行定值，该测量在不受墙壁散射影响或者散射可忽略的区域进行；

现场校准中，由于被校仪表通常紧贴墙壁放置，需对上述无散射影响条件下得到的剂量率约定真值D进行散射修正，得到经散射修正后的剂量率约定真值D’，则在参考辐射场中被校仪表所在位置的剂量率约定真值D’已知的条件下，仪表的校准因子N可用下式得到：

式中：N为被校仪表的校准因子(无量纲)；

M为现场仪表的测量值(单位：μGy/h或μSv/h)；

D’为经散射修正后的剂量率约定真值(单位：μGy/h或μSv/h)。

本发明的有益效果为：该装置相比于便携式γ射线照射装置所使用的同位素放射源，便携式X射线照射装置采用的X射线管在运输过程中更为安全方便，断电后无电离辐射。同时，X射线管出射束流稳定性好，年剂量率稳定性≤2％，使用过程中不存在半衰期修正问题。此外，X射线的产生由专用控制器控制，X射线管与控制器之间连接线缆，操作者可进行远程控制，大大降低了辐射安全隐患。使用中，X射线管的水平位置，高度以及俯仰角度可调，另外可通过改变X射线管输出管电流大小以调节剂量率，改变辐射质类型以调节出射束能谱成分，避免了受现场条件影响而无法通过改变照射距离以调节剂量率的限制，增强了现场校准工作的可操作性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的原理示意图；

图3为本发明三级钨合金光阑的结构示意图；

图4为本发明控制面板的示意图；

图5为本发明平移台组件的X轴平移组件结构示意图；

图6为本发明平移台组件的Y轴平移组件结构示意图；

图7为本发明升降台组件的结构示意图；

图8为本发明角位台的结构示意图；

图9为本发明角位台的截面示意图；

图10为本发明便携式过滤X射线参考辐射场剂量率约定真值定值示意图；

图11为本发明现场校准布局示意图。

具体实施方式

本发明采用X射线管作为产生参考辐射场的源项，设计制作便携式X射线照射装置。如图2所示，为便携式过滤X射线参考辐射的产生原理示意图。从阴极发射的加速电子束轰击阳极靶面，产生轫致辐射光子，与此同时，轫致辐射光子及电子碰撞电离使阳极靶原子壳层电子电离而产生特征X射线。轫致辐射光子与特征X射线共同构成出射束并先后经过Be窗、限束光阑、附加过滤后形成锥状便携式过滤X射线参考辐射。

基于上述原理，如图1所示，本发明设计的一种用于现场校准的便携式X射线照射装置，包括移动小车1以及安装在移动小车1上的X射线照射装置2，X射线照射装置2包括屏蔽箱21，设置在屏蔽箱21内的X射线管22，安装在屏蔽箱21上与X射线管22对应的三级钨合金准直光阑23，设置在三级钨合金准直光阑23一侧的过滤器支架24以及安装在过滤器支架24上的滤波片25，X射线管22产生的X射线经过三级钨合金准直光阑23和滤波片25后射出；

屏蔽箱21的底部与移动小车1的顶部之间安装平移台组件3，平移台组件3的底部安装升降台组件4，平移台组件3上安装角位台5，角位台5安装在屏蔽箱21的底部，平移台组件3适于控制屏蔽箱21内的X射线管11在X轴、Y轴方向上水平移动，升降台组件4适于控制屏蔽箱21内的X射线管22在Z轴方向上升降移动，角位台5适于控制屏蔽箱21内X射线管22的俯仰角度调节。

进一步，如图5，图6所示，平移台组件3包括安装在升降台组件4顶部的X轴平移组件和Y轴平移组件，X轴平移组件包括第一步进电机31，与第一步进电机31连接的第一滚珠丝杠32，安装在第一滚珠丝杠32的丝杠套上的X轴平移板33，X轴平移板33的底部配合安装X轴滑轨34；

Y轴平移组件包括第二步进电机35，与第二步进电机35连接的第二滚珠丝杠36，安装在第二滚珠丝杠36的丝杠套上的Y轴平移板37，Y轴平移板37的底部配合安装Y轴滑轨38，Y轴滑轨38安装在X轴平移板33上。

通过第一步进电机31可以带动X轴平移板33水平横向移动，第二步进电机35可以带动Y轴平移板37水平纵向移动，从而方便控制其上方X射线照射装置2和角位台5的水平设置位置，达到X射线发射位置可控的目的。

进一步，如图7所示，升降台组件4包括设置在移动小车1顶部的升降台面板41，设置在移动小车1内的升降气缸，升降气缸通过升降台导柱42连接升降台面板41的底部，升降台面板41位于X轴平移组件的底部，升降台面板41的底部设有升降台底座43，升降气缸通过升降台导柱42可以控制升降台面板41升降，从而达到X射线照射装置2安置高度可控的目的。

进一步，如图8，图9所示，角位台5包括底座51，设置在底座51内的蜗杆52，与蜗杆52配合的涡轮53，设置在涡轮53上方的下台面54和上台面55，底座51的外侧设有与蜗杆52端部通过联轴器56连接的电机57，蜗杆52的两端安装轴承58，上台面55的顶部安装屏蔽箱21，电机57正反转时，通过蜗杆52带动涡轮53摆动，从而控制上台面55顶部的屏蔽箱21进行俯仰角度调节，达到X射线照射装置2俯仰照射角度可控的目的。

进一步，如图3所示，所述三级钨合金准直光阑23包括光阑外壳231、压圈232、三级钨合金光阑、隔圈233组成，压圈232安装在光阑外壳231的端部，三级钨合金光阑包括通过隔圈232相互间隔的第一级光阑234、第二级光阑235以及第三级光阑236；

其中，隔圈232由铝合金材料制成，厚度为0.5-2cm，用于将相邻两级光阑隔开，压圈232用于将限束光阑整体压紧，三级钨合金光阑的内孔直径随级数增加而增大，最终形成圆锥状X射线出射束。

三级钨合金光阑为限束光阑，为了方便调节X射线出射束角度，共设计有五套不同内孔尺寸限束光阑，形成的X射线出射束半张角分别为3°、5°、8°、10°及15°。

进一步，屏蔽箱21的屏蔽材料为3mm 304不锈钢，屏蔽箱21上位于X射线管22出射口的周围处设置有3mm钨合金屏蔽加强层以加强该位置处的射线屏蔽效果。

进一步，移动小车1的顶部安装两个激光测距仪11，使用时，分别使一个激光测距仪位置固定，一个激光测距仪滑动，同时测量移动小车1前沿与竖直墙壁之间的距离，以验证X射线照射装置整体与墙面是否保持平行(即X射线管出射束轴线与墙面垂直)。激光测距仪可实现的定位范围：0.3m-8m，定位精度：1mm。利用安装在光机焦斑正下方的激光测距仪可实现焦斑与墙壁的距离定位。

移动小车1的底部安装福马轮12、双轴电子水平仪13，移动小车1上安装控制器14和控制面板15，如图4所示，控制面板15上的按钮对X射线管22的三维空间位置以及俯仰角度进行调节；利用安装在中央控制计算机或用户自备的计算机上的专用远程控制软件，可实现本地控制的所有功能，控制软件可提供查看及操作界面。

现场校准过程中，操作者必须远离照射装置。为了实时了解校准现场情况，在可移动小车近旁设置了摄像监控装置，并配有远程专用显示屏，从而实现本地实时摄像监控，保证校准工作的正常进行。

该便携式X射线照射装置各部分构成及整体的主要功能包括：

(1)X射线管俯仰角调节

将X射线管2固定在平台上，可通过角位台5对X射线管22的俯仰角(即光机出射束俯仰角)进行调节，角度调节范围：±15°，定位精度：1°，调节步距：1°。

(2)X射线管前后、左右(X轴、Y轴)调节

X射线管22前后、左右(X轴、Y轴)调节方式主要分为粗调与微调，其中，粗调通过人为挪动移动小车1实现，微调通过安装在X射线管22底部平移台的滑轨结合步进电机实现调节。微调X轴调节范围：±5cm，定位精度：1mm，调节步距：1mm；微调Y轴调节范围：±5cm，定位精度：1mm，调节步距：1mm。

(3)X射线管上下高度(Z轴)调节

该功能通过升降台实现，根据现场校准工作需要，高精度可移动小车设计成以X射线管22焦斑为基准，距地面高度为1.3m-1.8m范围连续可调，定位精度：1mm，调节步距：1mm。

(4)X射线管水平调节(即调水平)

现场校准过程中，可能会遇到地面不平整(凸起、坑洼等)的情况，将导致X射线管处于非水平状态，故本装置添加了水平调节功能，可结合双轴电子水平仪13与福马轮12对整体设备调整水平。

(5)高精度激光测距定位

在现场校准测量过程中，要始终使便携式X射线照射装置与墙体保持平行。利用安装在高精度移动小车前方的两个激光测距仪(使用时，分别使一个位置固定，一个滑动)同时测量小车前沿与竖直墙壁之间的距离，以验证照射装置整体与墙面是否保持平行(即X射线管出射束轴线与墙面垂直)。激光测距仪可实现的定位范围：0.3m-8m，定位精度：1mm。利用安装在光机焦斑正下方的激光测距仪可实现焦斑与墙壁的距离定位。

进一步，X射线管产生的X射线经三级钨合金光阑23准直整形，并经附加过滤后形成均匀的圆锥形便携式过滤X射线参考辐射场，用于现场校准X、γ辐射剂量仪，采用“准直场”法对被校仪表开展现场校准，具体方法如下：

如图10所示，利用传递标准装置(即可溯源至国家基准的次级标准电离室)对便携式过滤X射线参考辐射场各参考点(与X射线机焦斑距离范围0.5m-5m，两相邻参考点间距0.5m)剂量率约定真值D进行定值，该测量在不受墙壁散射影响或者散射可忽略的区域进行；

如图11所示，现场校准中，由于被校仪表通常紧贴墙壁放置，需对上述无散射影响条件下得到的剂量率约定真值D进行散射修正，得到经散射修正后的剂量率约定真值D’，则在参考辐射场中被校仪表所在位置的剂量率约定真值D’已知的条件下，仪表的校准因子N可用下式得到：

式中：N为被校仪表的校准因子(无量纲)；

M为现场仪表的测量值(单位：μGy/h或μSv/h)；

D’为经散射修正后的剂量率约定真值(单位：μGy/h或μSv/h)。

该装置相比于便携式γ射线照射装置所使用的同位素放射源，便携式X射线照射装置采用的X射线管在运输过程中更为安全方便，断电后无电离辐射。同时，X射线管出射束流稳定性好，年剂量率稳定性≤2％，使用过程中不存在半衰期修正问题。此外，X射线的产生由专用控制器控制，X射线管与控制器之间连接线缆，操作者可进行远程控制，大大降低了辐射安全隐患。使用中，X射线管的水平位置，高度以及俯仰角度可调，另外可通过改变X射线管输出管电流大小以调节剂量率，改变辐射质类型以调节出射束能谱成分，避免了受现场条件影响而无法通过改变照射距离以调节剂量率的限制，增强了现场校准工作的可操作性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (9)

1.一种用于现场校准的便携式X射线照射装置，包括移动小车以及安装在移动小车上的X射线照射装置，其特征在于，X射线照射装置包括屏蔽箱，设置在屏蔽箱内的X射线管，安装在屏蔽箱上与X射线管对应的三级钨合金准直光阑，设置在三级钨合金准直光阑一侧的过滤器支架以及安装在过滤器支架上的滤波片，X射线管产生的X射线经过三级钨合金准直光阑和滤波片后射出；

所述屏蔽箱的底部与移动小车的顶部之间安装平移台组件，平移台组件的底部安装升降台组件，平移台组件上安装角位台，角位台安装在屏蔽箱的底部，平移台组件适于控制屏蔽箱内的X射线管在X轴、Y轴方向上水平移动，升降台组件适于控制屏蔽箱内的X射线管在Z轴方向上升降移动，角位台适于控制屏蔽箱内X射线管的俯仰角度调节。

2.根据权利要求1所述的一种用于现场校准的便携式X射线照射装置，其特征在于，所述三级钨合金准直光阑包括光阑外壳、压圈、三级钨合金光阑、隔圈组成，压圈安装在光阑外壳的端部，三级钨合金光阑包括通过隔圈相互间隔的第一级光阑、第二级光阑以及第三级光阑；

其中，隔圈由铝合金材料制成，厚度为0.5-2cm，用于将相邻两级光阑隔开，压圈用于将限束光阑整体压紧，三级钨合金光阑的内孔直径随级数增加而增大，最终形成圆锥状X射线出射束。

3.根据权利要求2所述的一种用于现场校准的便携式X射线照射装置，其特征在于，屏蔽箱的屏蔽材料为3mm 304不锈钢，屏蔽箱上位于X射线管出射口的周围处设置有3mm钨合金屏蔽加强层以加强该位置处的射线屏蔽效果。

4.根据权利要求2所述的一种用于现场校准的便携式X射线照射装置，其特征在于，所述平移台组件包括安装在升降台组件顶部的X轴平移组件和Y轴平移组件，X轴平移组件包括第一步进电机，与第一步进电机连接的第一滚珠丝杠，安装在第一滚珠丝杠的丝杠套上的X轴平移板，X轴平移板的底部配合安装X轴滑轨；

所述Y轴平移组件包括第二步进电机，与第二步进电机连接的第二滚珠丝杠，安装在第二滚珠丝杠的丝杠套上的Y轴平移板，Y轴平移板的底部配合安装Y轴滑轨，Y轴滑轨安装在X轴平移板上。

5.根据权利要求4所述的一种用于现场校准的便携式X射线照射装置，其特征在于，所述升降台组件包括设置在移动小车顶部的升降台面板，设置在移动小车内的升降气缸，升降气缸通过升降台导柱连接升降台面板的底部，升降台面板位于X轴平移组件的底部，升降台面板的底部设有升降台底座。

6.根据权利要求4所述的一种用于现场校准的便携式X射线照射装置，其特征在于，所述角位台包括底座，设置在底座内的蜗杆，与蜗杆配合的涡轮，设置在涡轮上方的下台面和上台面，底座的外侧设有与蜗杆端部通过联轴器连接的电机，蜗杆的两端安装轴承，上台面的顶部安装所述屏蔽箱。

7.根据权利要求2所述的一种用于现场校准的便携式X射线照射装置，其特征在于，所述移动小车的顶部安装两个激光测距仪，使用时，分别使一个激光测距仪位置固定，一个激光测距仪滑动，同时测量移动小车前沿与竖直墙壁之间的距离，以验证X射线照射装置整体与墙面是否保持平行。

8.根据权利要求7所述的一种用于现场校准的便携式X射线照射装置，其特征在于，所述移动小车的底部安装福马轮、双轴电子水平仪，移动小车上安装控制器和控制面板，控制面板上的按钮对X射线管的三维空间位置以及俯仰角度进行调节；该X射线照射装置还配备有摄像监控装置，摄像监控装置连接远程显示屏。

9.根据权利要求7所述的一种用于现场校准的便携式X射线照射装置，其特征在于，X射线管产生的X射线经三级钨合金光阑准直整形，并经附加过滤后形成均匀的圆锥形便携式过滤X射线参考辐射场，用于现场校准X、γ辐射剂量仪，采用“准直场”法对被校仪表开展现场校准，具体方法如下：

利用传递标准装置对便携式过滤X射线参考辐射场各参考点剂量率约定真值D进行定值，该测量在不受墙壁散射影响或者散射可忽略的区域进行；

现场校准中，由于被校仪表通常紧贴墙壁放置，需对上述无散射影响条件下得到的剂量率约定真值D进行散射修正，得到经散射修正后的剂量率约定真值D’，则在参考辐射场中被校仪表所在位置的剂量率约定真值D’已知的条件下，仪表的校准因子N可用下式得到：

式中：N为被校仪表的校准因子(无量纲)；

M为现场仪表的测量值(单位：μGy/h或μSv/h)；

D’为经散射修正后的剂量率约定真值(单位：μGy/h或μSv/h)。

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