CN114005720B - 太赫兹行波管慢波聚焦集成结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种太赫兹行波管慢波聚焦集成结构及其制造方法，该结构包括载体，载体开设有用于太赫兹电磁波行进的慢波通道，慢波通道内部表面设有磁性薄膜层；慢波通道内部由行进的电磁波形成微电场，磁性薄膜层通过产生磁场或影响外部磁场，实现对内腔中行进的电子注进行聚焦，以促进电子注与微电场发生相互作用。本发明利用磁性薄膜层替代或增强传统行波管中的永磁体聚焦系统，厚度在微米到纳米量级，有利于行波管的集成化设计以及根据需求实现差异化磁场分布，实现行波管磁场系统体积的小型化，避免了传统永磁体聚焦系统的体积重量过大和磁场整形精度不高的问题，具有集成度高、微纳工艺兼容性好和应用性强的特点。

Description

太赫兹行波管慢波聚焦集成结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及太赫兹行波管技术领域，尤其涉及一种太赫兹行波管慢波聚焦集成结构及其制造方法。

背景技术

太赫兹(THz，1THz＝10¹²Hz)是指频率在0.1THz-10THz、波长3mm-0.03mm内的波段，以下简称THz。THz波位于宏观电子学与微观光子学的过渡区，是电磁波谱中唯一尚待开发、急需全面探索的具有重大科学前沿意义和重大应用前景的新频段。THz波具有量子能量低、带宽大、穿透性强等独特的电磁特性。太赫兹辐射源是目前制约太赫兹科学技术发展及其应用的瓶颈之一。传统的光子学与电子学方法都难以产生覆盖整个太赫兹频段的电磁辐射，所以形成了太赫兹空隙。

随着电子技术的发展，要求提供质量上乘、速度更快的电子器件，可是现在的硅器件已满足不了要求，半导体器件的电子传送速度又几乎接近理论极限，很难继续提高。电子在真空中传送的速度非常快，比硅半导体快20倍，这是提高器件速度的理想途径。传统的真空管体积比较大，电子流过的距离长。如果利用现代先进的微电子生产工艺技术，使真空管微型化，那么真空管的优越性就体现出来。

行波管(TWT，travelling-wave tube)是真空管的一种，是靠连续调制电子注的速度来实现放大功能的微波电子管。行波管结构包括：

1)电子枪。从阴极发射出来的电子注，受到电子枪区静电场的会聚作用，以一定的电子注参量(尺寸、电压、电流、密度分布)进入与慢波线的互作用区。

2)慢波线。在行波管中，电子注同慢波电路中行进的微波场发生相互作用，在长达6～40个波长的慢波电路中电子注连续不断地把动能交给微波信号场，从而使信号得到放大。

3)聚焦结构。也称聚焦系统，聚焦结构设置在互作用真空区域外，以一定的磁场力“抵消”电子注自身的空间电荷发散力，使电子注高质量地穿过互作用区，进入收集极区。

4)RF输入、RF输出结构。主要分为同轴结构和波导结构，需要有足够的机械强度、功率承受能力、确保低损耗、工作频带内足够好的电压驻波比。

5)收集极。功能是尽可能收集进入收集区的互作用后电子注，不让一次电子和二次电子返转。要有足够的抗电子轰击能力、散热能力、高压绝缘能力。

6)冷却系统。有辐射冷却、传导冷却、强迫风冷、液冷、蒸发冷却、热管冷却等。

其中，电子注聚焦系统是行波管结构的一个重要组成部分。电子束从电子枪出来后要穿过细长的慢波结构，为了得到充分的能量交换需要电子束要尽可能地靠近慢波结构。电子束中电子带负电荷，相互之间的斥力会使电子束很快发散而打到慢波结构上去，从而失去将能量交给电磁场的机会。因此，需要一个磁聚焦系统来约束电子束，使其能顺利通过慢波结构而实现放大。

目前多数行波管磁聚焦系统采用周期性永磁体结构(PPM，Periodic permanent-magnet)，即周期放置的对称磁块和极靴，主要有两种结构形式，一种为单周期结构，由系列圆形磁环和纯铁圆极靴片组成，轴上轴向磁场分布接近余弦形式，对磁性材料的矫顽力要求较高。有时为解决慢波线结构周期和PPM结构周期的矛盾，采用了另一种双周期结构，双周期PPM结构的聚焦性能和稳定性与单周期PPM结构一样。

PPM系统不能保证电子注的长距离传输。在均匀磁场中，由于E×B效应，薄电子束在长距离内的传播可能会不稳定，这称为电子流不稳定性。可以通过增加磁场密度来抑制电子流的不稳定性。但是，这会增大电磁线圈的输入电流或增大永磁体的体积。

除了PPM系统，周期性的尖峰磁铁(PCM，Periodic cusped magnet)类型的聚焦系统也已用于光束限制，PCM系统包括封闭式与开放式，它由放置在束隧道的所有四个侧面中的矩形磁铁组成，磁铁在每个周期的纵向都带有相反极性的电荷，但是，它也有一些不可避免的缺点。一方面，封闭式PCM系统的Y分量磁场By关于yz平面对称，这不适合在横向方向上聚焦薄片电子束。另一方面，传统的开放式PCM系统很难调整磁场By的幅度。

为了克服均匀磁体系统和传统PCM系统的缺点，一种新型的小型可调谐PCM系统被提出。这种PCM系统的所有磁块都具有相同的尺寸和位置，但磁化强度不同。此外，在磁块中间插入磁极片，用来集中磁场的振幅并调整磁场By的分量，但这种方式增大了行波管体积及重量，集成度不高。

除此之外，为了解决上述问题，提出了一种新型的PCM-TQM磁体，该混合PCM-TQM聚焦系统通过PCM部分提供垂直方向(y-z面)聚焦，同时通过独立的TQM部分限制板束在水平面上的色散趋势。与传统的PCM聚焦系统相比，PCM-TQM聚焦系统通过将TQM极点放置在PCM部件的上下表面，消除了传统PCM聚焦系统的宽度限制；因此，该系统可以与更宽的PCM部件兼容。其次，由于板束枪通常在垂直和水平面上设计不同的压缩比，这可能会导致垂直和水平束腰发生在不同的轴向位置。这种先进的PCM-TQM聚焦系统由于TQM独立于PCM部分，可以单独产生垂直和水平光束传输的磁聚焦场匹配。最后，每个独立的QM堆栈可以通过沿折线在PCM部件的顶面上滑动提供调整能力。但这种方式也会增大行波管的体积及重量。

发明内容

本发明提供一种太赫兹行波管慢波聚焦集成结构及其制造方法，用以解决现有技术中行波管磁聚焦系统采用磁块和极靴等永磁体导致太赫兹行波管体积、重量较大的缺陷，实现对太赫兹行波管的小型化、集成化的目的。

本发明提供一种太赫兹行波管慢波聚焦集成结构，包括载体，所述载体开设有用于太赫兹电磁波行进的慢波通道，所述慢波通道内部表面设有磁性薄膜层；

所述慢波通道内部由行进的电磁波形成微电场，所述磁性薄膜层通过磁场作用对所述慢波通道中行进的电子注进行聚焦，以促进电子注与微电场发生相互作用。

根据本发明提供的太赫兹行波管慢波聚焦集成结构，所述磁性薄膜层成对布置在所述慢波通道相对两侧的内部表面上。

根据本发明提供的太赫兹行波管慢波聚焦集成结构，所述磁性薄膜层包括非晶多层调制磁膜或纳米磁膜，所述磁性薄膜层的磁场强度通过所述磁性薄膜层的厚度、形状以及阵列方式决定。

根据本发明提供的太赫兹行波管慢波聚焦集成结构，所述载体外部设有永磁体，所述永磁体与所述磁性薄膜层相互对应设置。

本发明还提供一种太赫兹行波管慢波聚焦集成结构的制造方法，包括：

制作慢波结构层，所述慢波结构层包括多个平行且相间设置的载体凸条，相邻所述载体凸条之间形成慢波通道；

制作聚焦层，包括：在载体上铺设磁性薄膜层；

将所述慢波结构层与所述聚焦层键合，其中，所述聚焦层的磁性薄膜层朝向所述慢波结构层的慢波通道。

根据本发明提供的太赫兹行波管慢波聚焦集成结构的制造方法，所述慢波结构层还包括位于所述载体凸条一侧且与多个所述载体凸条一体式连接的载体底座，所述慢波通道为所述载体底座与所述载体凸条围成的慢波凹槽。

根据本发明提供的太赫兹行波管慢波聚焦集成结构的制造方法所述制作慢波结构层的步骤包括：

制作所述慢波结构层模板，在所述模板上铺设种子层得到第一载体，所述第一载体包括所述载体底座和所述载体凸条。

根据本发明提供的太赫兹行波管慢波聚焦集成结构的制造方法，所述在载体上铺设磁性薄膜层的步骤包括：

制作第二载体，通过一次退火工艺在所述第二载体上沉积N型磁膜，再通过一次退火工艺在所述第二载体上沉积S型磁膜。

根据本发明提供的太赫兹行波管慢波聚焦集成结构的制造方法，将所述慢波结构层与所述聚焦层键合的步骤中，所述聚焦层的磁性薄膜层朝向所述慢波结构层的慢波凹槽，以将所述慢波通道包围。

根据本发明提供的太赫兹行波管慢波聚焦集成结构的制造方法，还包括：

在制作慢波结构层的步骤中，多个所述载体凸条呈对齐排列的独立体；

将所述慢波结构层与所述聚焦层键合的步骤中，将两个所述聚焦层从所述载体凸条的对立两侧进行键合，以将所述慢波通道包围，两侧的磁性薄膜层通过所述慢波通道相对布置。

本发明实施例提供的太赫兹行波管慢波聚焦集成结构及其制造方法，通过设置载体，载体开设有用于太赫兹电磁波行进的慢波通道，慢波通道内部表面设有磁性薄膜层；慢波通道内部由行进的电磁波形成微电场，磁性薄膜层通过磁场作用对慢波通道中行进的电子注进行聚焦，以促进电子注与微电场发生相互作用。本发明实施例在太赫兹波段通过利用磁性薄膜层替代或增强传统行波管中的永磁体聚焦系统，有利于行波管的集成化设计以及差异化磁性分局，实现行波管磁场系统体积的小型化，避免了传统行波管采用永磁体导致体积重量过大和磁场整形精度不高的问题，集成度高、应用性强。该方法易操作，制备工艺成熟，耗费资源少，能有效降低成本，实现规模化定制和生产。

进一步地，本发明实施例还可以根据应用的不同情况，通过对磁性薄膜定制不同形状、不同厚度，以此适配工作在不同频率、不同结构的行波管。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的太赫兹行波管慢波聚焦集成结构第一实施例的结构示意图；

图2是本发明提供的太赫兹行波管慢波聚焦集成结构第二实施例的结构示意图；

图3是本发明提供的太赫兹行波管慢波聚焦集成结构的硬磁体行波管结构示意图；

图4是本发明提供的太赫兹行波管慢波聚焦集成结构制造方法的第一实施例流程示意图；

图5为图4中b1步骤俯视图；

图6为图4中b2步骤俯视图；

图7是本发明提供的太赫兹行波管慢波聚焦集成结构制造方法的第二实施例流程示意图；

附图标记：

1：载体； 11：慢波结构层； 110：第一载体；

111：载体凸条； 112：载体凹槽； 113：载体底座；

12：磁层； 120：第二载体； 2：慢波通道；

3：磁性薄膜层； 4：种子层； 5：永磁体；

6：电磁波； 7：RF端口； 8：电子注。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。

本发明实施例提供一种太赫兹行波管慢波聚焦集成结构，该慢波聚焦集成结构既是将行波管的聚焦系统和慢波结构进行了集成化。具体的，如图1所示，本发明提供第一种实施例，该慢波聚焦集成结构包括载体1，载体1采用金属材质，该载体1可以是两个单独对称的载体，也可以是管状结构。载体1内部开设有贯穿的内腔，该内腔,为用于太赫兹电磁波行进的慢波通道2，在慢波通道2的内表面设有磁性薄膜层3。

可以理解的是，慢波通道2用于行进太赫兹频段电磁波6，电磁波6通过在慢波通道2内部行进形成微电场，磁性薄膜层3在慢波通道2内形成磁场作用，并通过磁场作用对慢波通道2中行进的电子注8进行聚焦，从而促进电子注8与微电场发生相互作用，实现行波管的放大功能。

如图2所示，本发明提供第二种实施例，磁性薄膜层3成对布置在慢波通道2相对两侧的内部表面上。使磁性薄膜层3在慢波通道2内形成的磁场作用更加明显。

本实施例中，由于设置了磁性薄膜层3，磁性薄膜层3的磁场强度可以通过改变磁性薄膜层3的厚度、形状以及阵列方式来决定，从而可以实现行波管内部的差异化磁性分布，可根据行波管的器件结构和应用场景，定制化磁性薄膜层3的形状和阵列分布来适配工作在不同频率、不同结构的行波管。

本实施例中，如图3所示，磁性薄膜层3可以完全替代传统行波管的永磁体5，即完全不需要在行波管内部互作用区域外设置磁块和极靴。当然，也可以将磁性薄膜层3和永磁体5进行组合，共同实现对电子注8的聚焦作用。此时，可以利用磁性薄膜层3辅助磁场的改变，可以有效减小磁聚焦系统的体积及重量。也可以根据实际应用需求，决定是否保留极靴12。

值得一提的是，本实施例中，磁性薄膜层3可以为非晶、多层调制和微晶、纳米磁膜材料，可以是单层和多层材料、钙钛矿类材料、金属合金材料、金属氧化物材料等。

在一个具体实施例中，磁性薄膜层3可以是软磁体，也可以是硬磁体。当磁性薄膜层3用于辅助调节电子注8聚焦系统的磁场情况下，磁性薄膜层3一般较薄，一般采用软磁体比较合适，而当磁性薄膜层3用于完全替代永磁体1来提供电子注聚焦系统的磁场时，磁性薄膜层3一般采用硬磁体，以增强磁性薄膜层3的磁性强度。

基于此，在一个具体的实施例中，可采用CoPt材料的磁性薄膜层3，如图3所示，如传统行波管结构相同，金属载体2内设有磁块，行波管内部的慢波结构两端具有RF端口7，本实施例在传统的行波管内部永磁体5内设置CoPt材料的软性磁性薄膜层3。由于以固态沉积在基片上的原子无法自由移动，采用磁控溅射在常温获得的CoPt薄膜中Co原子和Pt原子是随机排列的，形成面心立方结构，呈软磁性。通过热处理使原子克服能障发生跳跃，使其转变为硬磁相的稳定态，磁性薄膜层3矫顽力随着退火温度的升高而增加，以形成硬性磁性薄膜层3。该结构可以有效的改变磁性薄膜层3的厚度、形状以及阵列分布，从而可以实现行波管内部的差异化磁性分布，有利于行波管适用于不同的应用场景，实现行波管的定制化生产。

本实施例提供的太赫兹行波管慢波聚焦集成结构，在太赫兹波段通过利用磁性薄膜层3替代传统行波管中的永磁体5聚焦系统，有利于行波管的集成化设计以及差异化磁性分局，实现行波管磁场系统体积的小型化，避免了传统行波管采用永磁体5导致体积重量过大的问题，集成度高、应用性强。且本实施例还可以根据应用的不同情况，通过对磁性薄膜定制不同形状、不同厚度，以此适配工作在不同频率、不同结构的行波管。

如图4所示，本发明还提供一种太赫兹行波管慢波聚焦集成结构的制造方法，针对第一种实施例，该方法包括以下步骤：

步骤a：制作慢波结构层11；

该慢波结构层如图4中所示，包括多个平行且相间设置的载体凸条111，相邻载体凸条111之间形成慢波通道2。

首先，制作慢波结构层11模板，在模板上铺设种子层4，通过种子层4反应得到第一载体110，第一载体110包括载体底座113和载体凸条111。载体底座113位于载体凸条111一侧且与多个载体凸条111一体式连接的，此时，慢波通道2为载体底座113与载体凸条111围成的慢波凹槽112。

该步骤中，可以经过标准的微加工工艺制作电铸后的慢波结构(SWS，Slow wavestructure)，可以采用RIE、DRIE等干法刻蚀以及湿法刻蚀等典型刻蚀工艺或LIGA、UV-LIGA等光刻技术在金属载体上开设慢波通道2，该慢波通道2用于行进电磁波形成微电场。

步骤b：制作聚焦层12；

该步骤既是在载体1上铺设磁性薄膜层3；

该步骤中，如图5和图6所示，包括b1步骤和b2步骤，首先制作第二载体120，b1步骤为通过一次退火工艺在第二载体120上沉积N型磁膜，再进行b2步骤，通过一次退火工艺在第二载体120上沉积S型磁膜。

该步骤中，通过非晶、多层调制和微晶、纳米磁膜材料，或者是单层和多层材料、钙钛矿类材料、金属合金材料、金属氧化物材料等加工制成磁性薄膜层3。将加工出的磁性薄膜层3覆盖整个慢波结构层及其周围轮廓。本实施例中磁性薄膜层3制备方法包括但不限于电子束蒸发、化学沉积、电镀、MBE等物理和化学方法。

这其中，磁性薄膜层3的磁场强度可以通过该磁性薄膜层3的厚度、形状以及阵列方式来决定，从而可以实现行波管内部的差异化磁性分布，可根据行波管的器件结构和应用场景，定制化磁性薄膜层3的形状和阵列分布来适配工作在不同频率、不同结构的行波管。

进一步地，在一个实施例中，在第二载体120表面铺设磁性薄膜层3的步骤之前，还可以对第二载体120表面进行铺设衬底处理。磁性薄膜层3铺设在衬底上，能够保证磁性薄膜层3与第二载体120更好的结合，提高磁性薄膜层3的结构稳定性。

步骤c：将慢波结构层11与聚焦层12键合；

将慢波结构层11与聚焦层12在高温条件下键合；其中，需要注意的是，聚焦层12的磁性薄膜层3朝向慢波结构层11的慢波通道2。即聚焦层12的磁性薄膜层3朝向慢波结构层11的慢波凹槽112，以将慢波通道2包围，形成完整的内部带有磁性薄膜层3的慢波通道2。

该步骤中，键合方式包括但不限于热压键合、共熔键合、共晶键合、静电键合等方式。

以上实施例提供了一种太赫兹行波管慢波聚焦集成结构的制造方法，当然，对于第二种实施例，行波管慢波聚焦集成结构的内设相对的磁性薄膜层3的结构，以下通过第二种方法实施例进行说明。

如图7所示，本实施例方法步骤与上述实施例大致相同，不同的是，在制作慢波结构层11的步骤中，是没有载体底座113的，只有多个独立的载体凸条111，载体凸条111平行间隔排列，期间形成慢波通道2。当然，该结构的慢波结构层11也可以将上述实施例中成型的慢波结构去掉载体底座113得到。

不同的是，将所述慢波结构层11与聚焦层12键合的步骤中，是将两个聚焦层12从载体凸条111的对立两侧进行键合，以将慢波通道2包围，两侧的磁性薄膜层3通过慢波通道2相对布置，形成如图2所示的结构。

本实施例中用磁性薄膜材料代替或减少传统的磁环、磁块和极靴，一方面，可以通过改变磁性薄膜形状与厚度控制慢波结构不同位置磁场的大小，另一方面，与集成电路工艺相类似的薄膜加工工艺，容易与集成电路集成制作，在目前器件与设备集成化、小型化的发展趋势下，薄膜制备工艺的一致性和稳定性已满足大规模生产需求，提高电子设备的集成度和兼容性。

本实施例提供的太赫兹行波管慢波聚焦集成结构的制造方法，步骤简单，制备工艺较成熟，易操作，耗费资源少，能有效降低成本，实现规模化定制和生产。有利于真空管系统的小型化和集成化，在星间通信、下一代6G基站和空天地一体化网络具有重要应用价值。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种太赫兹行波管慢波聚焦集成结构，其特征在于，包括载体（1），所述载体（1）开设有用于太赫兹电磁波行进的慢波通道（2），所述慢波通道（2）内部表面设有磁性薄膜层（3）；

所述慢波通道（2）内部由行进的电磁波形成微电场，所述磁性薄膜层（3）通过磁场作用对所述慢波通道（2）中行进的电子注（8）进行聚焦，以促进电子注（8）与微电场发生相互作用。

2.根据权利要求1所述的太赫兹行波管慢波聚焦集成结构，其特征在于，所述磁性薄膜层（3）成对布置在所述慢波通道（2）相对两侧的内部表面上。

3.根据权利要求2所述的太赫兹行波管慢波聚焦集成结构，其特征在于，所述磁性薄膜层（3）包括非晶多层调制磁膜或纳米磁膜，所述磁性薄膜层（3）的磁场强度通过所述磁性薄膜层（3）的厚度、形状以及阵列方式决定。

4.根据权利要求1-3任一项所述的太赫兹行波管慢波聚焦集成结构，其特征在于，所述载体（1）外部设有永磁体（5），所述永磁体（5）与所述磁性薄膜层（3）相互对应设置。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的太赫兹行波管慢波聚焦集成结构的制造方法，包括：

提供载体，所述载体包括第一载体和第二载体；

制作慢波结构层（11），包括：在所述第一载体表面设置多个平行且相间设置的载体凸条（111），相邻所述载体凸条（111）之间形成慢波凹槽（112）；

制作聚焦层（12），包括：在所述第二载体上铺设磁性薄膜层（3）；

将所述慢波结构层（11）与所述聚焦层（12）键合，所述慢波凹槽（112）与所述聚焦层（12）围成慢波通道（2），其中，所述聚焦层（12）的磁性薄膜层（3）位于所述慢波通道（2）内。

6.根据权利要求5所述的太赫兹行波管慢波聚焦集成结构的制造方法，其特征在于，所述慢波结构层（11）还包括位于所述载体凸条（111）一侧且与多个所述载体凸条（111）一体式连接的载体底座（113），所述慢波凹槽（112）由所述载体底座（113）以及相邻两个所述载体凸条（111）组成。

7.根据权利要求6所述的太赫兹行波管慢波聚焦集成结构的制造方法，其特征在于，所述制作慢波结构层（11）的步骤包括：

制作所述慢波结构层（11）模板，在模板上铺设种子层（4），通过种子层（4）得到第一载体（110），所述第一载体（110）包括所述载体底座（113）和所述载体凸条（111）。

8.根据权利要求7所述的太赫兹行波管慢波聚焦集成结构的制造方法，其特征在于，所述在第二载体上铺设磁性薄膜层（3）的步骤包括：

制作第二载体（120），通过一次退火工艺在所述第二载体（120）上沉积N型磁膜，再通过一次退火工艺在所述第二载体（120）上沉积S型磁膜。

9.根据权利要求5-8任一项所述的太赫兹行波管慢波聚焦集成结构的制造方法，其特征在于，

将所述慢波结构层（11）与所述聚焦层（12）键合的步骤中，所述聚焦层（12）的磁性薄膜层（3）朝向所述慢波结构层（11）的慢波凹槽（112），以将所述慢波通道（2）包围。

10.根据权利要求5所述的太赫兹行波管慢波聚焦集成结构的制造方法，其特征在于，还包括：

在制作慢波结构层（11）的步骤中，多个所述载体凸条（111）呈对齐排列的独立体；将所述慢波结构层（11）与所述聚焦层（12）键合的步骤中，将两个所述聚焦层（12）从所述载体凸条（111）的对立两侧进行键合，以将所述慢波通道（2）包围，两侧的磁性薄膜层（3）通过所述慢波通道（2）相对布置。

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