DE1489738A1 - Superconducting coil - Google Patents
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Description
. QRALFt ·· .haun.ohwsi·, 9·. QRALFt ·· .haun.ohwsi ·, 9 ·
AM ·Ο··ΙΙΡΑ»Κ ·AM · Ο ·· ΙΙΡΑ »Κ ·
M/pa * O 589M / pa * O 589
|X>r,ExpL|| X> r, ExpL |
54, rue La BoVbie, Paris 8,54, rue La BoVbie, Paris 8,
Die Erfindung betrifft eine supraleitende Spule, dis zur Erzeugung starker und kontinuierlicher magnetischer Jelder bestimmt ist·The invention relates to a superconducting coil which is intended to generate strong and continuous magnetic fields
Die Erfindung hat das Ziel, eine Spule zu schaffen, welche ' es gestattet, bei gleichem Gewicht Sn supraleitendem Material' höhere Feldstärken als bekannte Spulen zu erzielen, wobei) die Zeitkonstanten sehr gering sein sollen· ■ The invention is to create a coil the target, which 'allows superconducting material of the same weight Sn' to achieve higher field strengths than known coils with) the time constants should be very low · ■
Es ist bekannt, daß man bei supraleitenden Spulen bei einer gegebenen Intensität die Induktion nicht über einen Wearb, steigern kann, welcher zum Verlust der supraleitenden Eigen-'It is known that with superconducting coils at a given intensity the induction cannot be carried out via a wearb, which can lead to the loss of the superconducting properties
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schäften führt. Dieser Wert ist für eine isoliert betrechtete, supraleitende Windung größer als für eine dicke Spule, d. h. eine Spule mit mehreren supraleitenden Schichten.stores leads. This value is for an isolated person, superconducting turn larger than for a thick coil, i. H. a coil with several superconducting layers.
Um zu Grenzen zu kommen, die sich denen bei isolierten Windungen nähern, ist bereits eine dünne folie aus niohtsupraleitendem Metall zwisohen den supraleitenden Schichten angeordnet worden.In order to reach the limits that approach those with isolated windings, a thin film made of non-superconducting material is already used Metal has been placed between the superconducting layers.
Diese Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß die erhaltenen Spulen sehr große Zeitkonstanten haben. Diese Zeitkonstanten stören bei kleinen Spulen und sind bei großen Spulen unannehmbar. However, this arrangement has the disadvantage that the coils obtained have very large time constants. These time constants interfere with small coils and are unacceptable with large coils.
Die Zeitkonstanten sind eine Folge der Tatsache, daß bei der Herstellung des Stromes ein beträchtlicher Strom in den TeilenThe time constants are a consequence of the fact that the Making the stream a sizeable stream in parts
■■ ι ■ ■ '■■ ι ■ ■ '
aus nichtsupraleitendem Material fließt, welche einen bestimmten Widerstand aufweisen. flows from non-superconducting material, which have a certain resistance.
Bei der Spule gemäß der Erfindung werden diese ZeitkonstantenIn the coil according to the invention, these become time constants
vermieden.avoided.
Hierau kennzeichnet sich die Spule gemäß der Erfindung dadurch, daß wenigstens eine Scheibe, Folie oder ein Band aus Metall oder einer legierung mit hoher elektrischer leitfähigkeit, wie Kupfer, Aluminium oder Silber in den Körper derIn this respect, the coil according to the invention is characterized in that at least one disc, foil or tape is made of Metal or an alloy with high electrical conductivity, such as copper, aluminum or silver in the body of the
909821/0875 .909821/0875.
OWGlNAL INSPECTEDOWGlNAL INSPECTED
iupraleltenden Wicklung eingefügt wird, wobei die Scheibe, Folie oder das Band isoliert istφiupraleltenden winding is inserted, whereby the disc, Foil or tape is insulated φ
Gemäß einem weiteren Merkmal ist unabhängig von der Form der Spule wenigstens eine Folie oder ein Band aus Metall zwischen den aufeinanderfolgenden Windungen oder Schichten gemäß der allgemeinen Wicklungsform angeordnet, oder im Falle einer aus Flaohspulen aufgebauten Spule in Form von zwischen den Flaohspulen angeordneten Scheiben·According to a further feature, regardless of the shape of the coil, at least one foil or strip of metal is between the successive turns or layers arranged according to the general winding shape, or in the case of one Coil made up of flaoh bobbins in the form of between the Discs arranged in flaoh coils
Gemäß einem weiteren Merkmal bilden die metallischen Bänder, Folien oder Scheiben Windungen, die kurzgeschlossen oder durch einen Widerstand verbunden sind.According to a further feature, the metallic strips, foils or disks form windings that are short-circuited or through connected to a resistor.
Die Einfügung einer Folie, eines Bandes oder einer Scheibe bringt zahlreiche Vorteile bezüglich des Schutzes der Spule, wie nachstehend erläutert wird. Derartige Folien, Bänder oder Scheiben werden im folgenden als "Schutzfolien" bezeichnet·The insertion of a slide, tape or disc provides numerous advantages in terms of coil protection, as will be explained below. Such films, tapes or Panes are referred to as "protective films" in the following ·
Die Stärke der Schutzfolie hängt von den Eigenschaften der supraleitenden Spule, insbesondere von der Art des verwendeten supraleitenden Materials, und den Abmessungen der Spule ab. Sie ist also je nach dem vorliegenden Fall bestimmt. Allgemein kann gesagt werden, daß die Stärke mit der in der Spule herrschenden elektrischen Leistung anwächst.The strength of the protective film depends on the properties of the superconducting coil, in particular on the type of used superconducting material, and the dimensions of the coil. It is therefore determined depending on the case at hand. Generally it can be said that the strength increases with the electrical power in the coil.
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OWQiNALOWQiNAL
T489738T489738
Die Schutzfolien unterscheiden sich von den Abschirmungen oder Belägen in Kondensatoren, welche man in Wecheelspulen zur besseren Beständigkeit gegenüber Spannungen trifft, einesteils dadurch, daß sie kurzgeschlossen oder durch Widerstände abgeschlossen sind, und andererseits durch überraschende Vorteile, welche sie bei der Ausnutzung der supraleitendan Eigenschaften der Materialien bringen·The protective films differ from the shields or deposits in capacitors, which one in Wecheelspulen for better resistance to voltages, partly by being short-circuited or by resistors are completed, and on the other hand by surprising advantages that they have in the exploitation of the superconducting Bring properties of the materials
^ Diese Schutzfolien unterscheiden sich auch von den metallischen, niohtsüpraleitenden Schichten, welche manchmal als Träger zur Ablagerung supraleitenden Materials verwendet werden. In diesem Pail ist die Schicht aus nichtsupraleitendem [ Material nicht eine Schutzfolie, denn sie verdoppelt einfach die supraleitende Spule, ohne kurzgeschlossen zu sein.^ These protective films also differ from the metallic, non-conductive layers, which are sometimes used as a carrier for the deposition of superconducting material. In this pail, the layer of non-superconducting [ material is not a protective film, because it simply doubles the superconducting coil without being short-circuited.
Die Erfindung wird im· folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigenThe invention is illustrated below, for example, with reference to FIG Drawing described; in this show
w Figur 1 in Perspektive und im Schnitt die allgemeine Anordnun einer Spule, w Figure 1 in perspective and in section the general arrangement of a coil,
Figur 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus Figur 1,FIG. 2 shows an enlarged section from FIG. 1,
Figur 3 eine schematische perspektivische Ansicht einer ' Schutzfolie,Figure 3 is a schematic perspective view of a ' Protective film,
Figur 4 eine perspektivische Ansicht der allgemeinen Anordnung einer Spule gemäß der Erfindung,Figure 4 is a perspective view of the general arrangement of a spool according to the invention;
- 909821/0875- 909821/0875
OWGlNAL INSPECTEDOWGlNAL INSPECTED
Figur 4 dargestellten Spule in der Ebene ox - 07 undFigure 4 shown coil in the plane ox - 07 and
Figur 6 einen Schnitt einer weiteren möglichen Anordnung der in Figur 4 dargestellten Spule in der Ebene ox - oy.FIG. 6 shows a section of a further possible arrangement of the coil shown in FIG. 4 in the plane ox - oy.
Figur 1 zeigt sohematisch eine Spule. Zn diesem Beispiel ist angenommen, daß Supraleiter in Drahtform verwendet werden· Man kann Jede Anordnung von Leitern und insbesondere ein Kabel verwenden, wobei besonders diejenige Anordnung verwendet wird, die durch eine Drahtlitze verwirklicht ist·FIG. 1 schematically shows a coil. In this example It is assumed that superconductors in wire form are used · One can use any arrangement of conductors and in particular one Use cables, in particular that arrangement is used which is realized by a wire strand.
! I! I.
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ι Iι I
schnitten. Der Ausschnitt 3 des Schnittes ist in Figur 2 Scut. The detail 3 of the section is shown in FIG vergrößert dargestellt.shown enlarged.
lation 5 versehen. Diese leiter sind in Schichten angeordnet,lation 5 provided. These conductors are arranged in layers,
welche voneinander durch Schutzfolien 6 getrennt und von jwhich are separated from each other by protective films 6 and from j
diesen Folien durch elektrische ^solierfolien 7 isoliert jthese foils are insulated by electrical insulation foils 7 j
H " ■ sind. H "■ are.
die sie in der Spule einnimmt. D$e Länge der folie 6 gestattet es, eine Überlappungezone 8 »u erhalten, die einen guten which it occupies in the coil. The length of the film 6 makes it possible to obtain an overlap zone 8 which has a good
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H89738H89738
elektrischen Eontakt gewährleistet. Der elektrisch· Eontakt * kann eventuell durch Schweißung noch verbessert werden»electrical contact guaranteed. The electric contact * can possibly be improved by welding »
Bei der dargestellten Aueführungsform sind die aufeinanderfolgenden Schutzfolien nicht elektrisch miteinander verbunden* In the embodiment shown, the successive protective films are not electrically connected to one another *
Die ao in die Spule eingelegten Schutzfolien sorgen für eine magnetische Unabhängigkeit zwischen den aufeinanderfolgenden Schichten und gestatten es somit, sich den .Eigenschaften anzunähern, die den isoliert arbeitenden supraleitenden Stoffen innewohnen» Sie gewährleisten auch den Schutz der Spule gegen Potentialwellen und lokale Erwärmungen, welche auf den Verlust des supraleitenden Zustandes folgen.The protective films inserted into the coil ensure a magnetic independence between the successive layers and thus make it possible to approximate the properties which are inherent in the insulated superconducting materials »They also guarantee the protection of the coil against Potential waves and local heating that follow the loss of the superconducting state.
Die spezifische Wärme der Körper ist blei niedriger Temperatur stark herabgesetzt, und die Schutzfolien gestatten es, Wärme ▼on außerhalb! der Spule schnell abzufijhren, welche dort entj stehen könnte, und somit die Instabilität und den Verlust des ι supraleitenden Zustandes bei Auftreten geringer Erwärmungen ι zu vermeiden·!The specific heat of the body is greatly reduced at a low temperature, and the protective foils allow heat to be generated ▼ on outside! the coil quickly, which is entj could stand, and thus the instability and the loss of the ι superconducting state when slight heating occurs ι to avoid ·!
Verschiedene Ausführungsformen sind möglich. So kann man eine oder beide elektrischen Isolierfolien auf beiden Seiten der Schutsfolie weglassen. In ?alle einer Schichtenspule besteht 'Various embodiments are possible. So you can leave out one or both electrical insulating foils on both sides of the protective foil. In? All of a layer coil consists'
•in· weiter· ^Ausführungsform darin, ej.ne Schutzfolie nicht *• in · further · ^ embodiment in that ej.ne protective film not *
r ··■' ■ ■■ ■ ,'r ·· ■ '■ ■■ ■,' 909811/017$909811/017 $
1NSPECTED 1N SPECTED
zwischen jeder aufeinanderfolgenden Schicht sondern nach mehreren Spulenschichten vorzusehen. Je nach den elektrischen, mechanischen und thermischen Spannungen, denen die Teile der Spule ausgesetzt sind, kann man die Anzahl der Schichten zwischen den beiden aufeinanderfolgenden Schutzfolien sich ändern lassen. to be provided between each successive layer but after several coil layers. Depending on the electrical, mechanical and thermal stresses to which the parts of the coil are exposed, the number of layers between the two successive protective films can be changed.
Bei einer Flachspule braucht man nicht nur Schutzfolien zwischen die aufeinanderfolgenden Windungen zu legen, wobei die Kurzschlüsse durch geeignete Stäbe oder Verbindungen erhal ten werden, sondern man kann auch Scheiben zwischen aufeinan derfolgende FJaehspulen legen, so daß eine Unabhängigkeit zwischen den Flachspulen erzielt wird. In the case of a flat coil, it is not only necessary to place protective foils between the successive turns, whereby the short circuits are obtained by means of suitable rods or connections, but you can also place disks between successive FJaehspulen so that independence between the flat coils is achieved.
Bei der schematischen Figur 4 dargestellten Spule, welche in Figur 5 geschnitten dargestellt ist, ist eine andere mögliche Anordnung veranschaulicht, bei der die Schutzfolien in Reihe geschaltet sind, so daß ein einziger Schutzkreis gebildetIn the coil shown schematically in FIG. 4, which is shown in section in FIG. 5, another possible arrangement is illustrated in which the protective films are connected in series so that a single protective circuit is formed
wird, welcher im folgenden "Schutzspule" genannt wird. ä which is called "protective coil" in the following. Ä
Um die Zeichnung zu vereinfachen, sind nur einige Schichten 8 der supraleitenden Spule dargestellt. Die elektrischen Isolierfolien sind bei 9 dargestellt. Die aufeinanderfolgenden Schutz-^ folien 10 sind mittels aufeinanderfolgender Verbindungsstäbe 11 verbunden. Die Enden 14 und 15 der so gebildeten Schutzspule können durch einen leitenden Stab 12 verbunden sein.To simplify the drawing, only a few layers 8 of the superconducting coil are shown. The electrical insulating foils are shown at 9. The successive protective films 10 are by means of successive connecting rods 11 connected. The ends 14 and 15 of the protective coil thus formed can be connected by a conductive rod 12.
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Nach einer Abwandlung kann der Stab 12 durch einen ibatladungswiderstand 13 gebildet sein. Dieser Widerstand kann an jeder geeigneten Stelle angeordnet sein, und zwar im Innern des Kältegefäßes sowie außerhalb desselben. Im. letzteren Fall ist es möglich, von außerhalb des Kältegefäßes einen wesentlichen Teil der magnetischen Energie direkt in dem lugenblick abzuführen, wo die Leiter den supraleitenden Zustand verlieren. Man kann somit eine bemerkenswerte Wirtschaftlichkeit _ der Kühlflüssigkeit, wie flüssigen Heliums, erreichen.According to a modification, the rod 12 can be provided with a charge resistor 13 be formed. This resistor can be arranged at any suitable location, namely inside of the cold vessel as well as outside of it. In the latter case it is possible to use a substantial part of the magnetic energy directly from outside the cold vessel dissipate where the conductors lose their superconducting state. One can thus achieve a remarkable economy _ of the coolant, such as liquid helium.
In Figur 6, wo gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, ist die supraleitende Spule durch ein Band 8 aus Drähten oder Kabeln gebildet, das vorher durch eine Isolierschicht 9 isoliert und auf einer Schutzfolie angeordnet ist. Die §pule wird dann hergestellt, indem gleichzeitig die Schutzfolie und das isolierte Band aus Drähten oder Kabeln aufgewickelt werden. Die so gebildete Spule gestattet es, die Verwendung von Anschluß- oder Verbindungsstäben W zu vermeiden, und besitzt ein besseres Verhalten gegenüber mechanischen Spannungen,In FIG. 6, where the same elements are denoted by the same reference numerals, the superconducting coil is formed by a band 8 of wires or cables which is previously insulated by an insulating layer 9 and arranged on a protective film. The reel is then made by simultaneously winding the protective film and the insulated tape of wires or cables. The coil formed in this way makes it possible to avoid the use of connecting or connecting rods W , and has a better behavior with respect to mechanical stresses,
Die Ausgangsklemmen 14 und 15 *der Schutz spule werden wie oben beschrieben mittels einer Stange 12 oder eines Widerstandes 13. gebildet.The output terminals 14 and 15 * of the protective coil are like described above by means of a rod 12 or a resistor 13 formed.
Der Wert des Entladungswiderstandes wird dadurch bestimmt,The value of the discharge resistance is determined by
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daß die Dämpfung der in der Spule mögliohen Schwingungen betrachtet wird· Man bemüht eich, für die Sohutaspule eine Zeitkonstante zu erhalten, die größer als die der supraleitenden Kreise ist.that the damping of the possible vibrations in the coil is considered One tries to find a time constant for the Sohutaspool to obtain which is larger than that of the superconducting circles.
Hehrere Abwandlungen sind möglioh. So kann man unter Beibehaltung der allgemeinen Anordnung naoh figur 6 die Schutzfolie nach einer oder mehreren Schichten duroh einen Stab kurzschließen. Several modifications are possible. So you can while maintaining According to the general arrangement shown in Figure 6, short-circuit the protective film after one or more layers by means of a rod.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Band von supraleitenden Drähten oder Kabeln durch ein Band aus supraleitendem Material ersetzt werden.According to a further embodiment, the band of superconducting wires or cables can be replaced by a band of superconducting Material to be replaced.
Nach einer bevorzugten Ausführungefora kann das erwähnteAccording to a preferred embodiment, the aforementioned
Band durch einen dünnen Niederschlag supraleitenden MaterialsTape through a thin deposit of superconducting material
auf einer Isolierfolie gemäß der Patentanmeldung 0 34 769 · vom 29. Dezember 1964 gebildet werden.on an insulating film according to patent application 0 34 769 · dated December 29, 1964.
In diesem Pall wird die Schutzfolie duroh eine dünne Ablagerung aus leitendem Metall auf einem Dielektrikum, der eupraleitenden Seite, zugleich auf beiden Seiten oder zwischen dem Dielektrikum und den Supraleitern hergestellt werden, wobei jedoch die Bedingung besteht, daß der Kurzsohluß der Schutzfolie gewährleistet ist·In this pall, the protective film becomes a thin deposit Made of conductive metal on a dielectric, the superconducting side, at the same time on both sides or between the Dielectric and the superconductors are produced, with the condition, however, that the short sole of the protective film is guaranteed·
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Die Erfindung umfaßt die Einbringung von Metallfolien mit j hoher metallischer leitfähigkeit im Kurzschluß, in Reihe geschaltet oder durch einen Widerstand überbrückt in die supraleitenden Spulen, wobei die Porm der supraleitenden Spule beliebig ist.The invention includes the introduction of metal foils with j high metallic conductivity in the short circuit, connected in series or bridged by a resistor in the superconducting coils, the Porm of the superconducting coil is arbitrary.
Man kann auch eine Schutzfolie in SOrm eines leitenden Käfigs verwenden· Das Anwendungeprinzip ist dabei genau das gleiche; die Ergebnisse sind jedoch weniger günstig, und zwar sowohl vom elektrischen als auch vom thermischen Standpunkt.You can also use a protective film in the form of a conductive cage use · The principle of application is exactly the same; however, the results are less favorable, both from an electrical as well as a thermal point of view.
Der Eahmen der Erfindung wird nicht verlassen, wenn die Anordnung der Schutzfolien, die Anordnung der elektrischen Verbindungen, die elektrische Isolation und die Stärke der Sehutafolien abgewendet werden.The scope of the invention is not left when the arrangement the protective foils, the arrangement of the electrical connections, the electrical insulation and the thickness of the visual foils be averted.
Die Herstellung der supraleitenden Spule mit einer oder mehreren eingefügten Metallfolien bietet die folgenden VorteilesManufacturing the superconducting coil with one or more inserted metal foils offers the following advantages
1. Sessere Leftetungsfähigkeit der Spule im Betrieb bis zu einer Grenze, die in der Nähe der Eigenschaften liegt, die den supraleitenden Stoffen innewohnen. Bezüglich einer Spule ohne Schutzfolie ist es möglich, ein magnetisches feld zu erhalten, welches für ein. gegebenes Gewicht des supraleitenden Materials größer ist oder bei einer Verringerung des Gewichtes des supraleitenden Materials das gleiche bleibt.1. Better left holding ability of the coil in operation up to one Limit that is close to the properties inherent in superconducting materials. Regarding a coil Without a protective film, it is possible to obtain a magnetic field that is suitable for a. given weight of the superconducting Material is larger or remains the same with a reduction in the weight of the superconducting material.
908821/0875 ' ■908821/0875 '■
2. Ein Schutz der Spule gegen Potentialwellen und lokale Erwärmungen, welche auf den Verlust des supraleitenden Zustandes folgen. Dieser Schutz folgt aus den leitenden Eigenschaften der Folien und ihrer Anordnung in Windungen oder Zylindern im Kurzschluß im Körper der supraleitenden Spule.2. Protection of the coil against potential waves and local heating, which can lead to the loss of the superconducting state follow. This protection follows from the conductive properties of the foils and their arrangement in turns or Cylinders in the short circuit in the body of the superconducting coil.
3. Die Isolation der Schutzfolien bezüglich der supraleitenden Wicklungen gestattet es zu vermeiden, daß bei der Herstellung des Stromes ein Teil desselben in die Folien aus nichtsupraleitendem Material abgeleitet wird. Das ermöglicht es, Zeitkonstanten zu erhalten, die sehr gering und praktisch Null sind.3. The insulation of the protective films with respect to the superconducting windings makes it possible to avoid that during manufacture of the current, part of it is diverted into the foils made of non-superconducting material. This allows it is to get time constants that are very small and practically zero.
4. Die Möglichkeit der Überführung magnetischer Energie im Augenblick des Verschwindens des supraleitenden Zustandes. Diese Eigenschaft ist besonders denjenigen Schaltungen eigen, die den in den Figuren 5 und 6 dargestellten analog sind. Eine richtige Wahl des Wertes des EntladungsWiderstandes 16 gestattet es, einen wichtigen Teil der magnet!- ä sehen Energie der Spule zu überführen. Es ist also vorteilhaft, diesen Widerstand außerhalb des Kältegefäßes anzuordnen, und zwar insbesondere bei großen Spulen mit starkem Feld, wo die in der Spule aufgespeicherte magnetische ι Energie beträchtlich ist.4. The possibility of transferring magnetic energy at the moment of the disappearance of the superconducting state. This property is particularly peculiar to those circuits which are analogous to those shown in FIGS. A proper choice of the value of the discharge resistor 16 makes it an important part of the magnet - to convict see similar energy of the coil!. It is therefore advantageous to arrange this resistor outside the cold vessel, in particular in the case of large coils with a strong field, where the magnetic energy stored in the coil is considerable.
909821/0875909821/0875
°*'G'NAL INSPECTS° * 'G'NAL INSPECTS
— 12 —
5. Verbesserung der Kühlung der supraleitenden Spule. Diese- 12 -
5. Improvement of the cooling of the superconducting coil. These
Eigenschaft beruht auf der erhöhten thermischen Leitfähigkeit, die eine Folge der großen elektrischen Leitfähigkeit ist. Es folgt eine beträchtliche Wirtschaftlichkeit des Kühlmittels (wie Helium oder Wasserstoff)·Property is based on the increased thermal conductivity, which is a consequence of the great electrical conductivity. There follows a considerable economy of the coolant (such as helium or hydrogen)
I .I.
1 Sie Einfügung der Schutzfolien vergrößert den Raumbedarf der Spule nicht wesentlich und kann erfolgen, ohne daß die J Anordnungen gestört werden, die zur Erzielung eines zweck- ! mäßigen mechanischen Verhaltens getroffen werden. 1 Inserting the protective film does not significantly increase the space required by the coil and can be done without disturbing the J arrangements which are necessary to achieve a purpose! moderate mechanical behavior.
Patentansprüche Claims tt
909821/0875909821/0875
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