DE2939121C2 - Bifilare, helische Elektrodenanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine bifilare, heiische Elektrodenanordnung zur transversalen Anregung gasförmiger Lasermedien nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Unter Verwendung einer derartigen bifilaren, heiischen Elektrodenanordnung können atomare Gase, Molekülgase, Gasmischungen sowie Metalldämpfe, insbesondere auch solche gasförmige Lasermedien, welche extrem kurzlebige obere Laserniveaus aufweisen, durch eine gepulste, transversale Gasentladung zu intensiver Lasertätigkeit angeregt werden, wobei durch die heiische Elektrodenstruktur die Erzeugung eines kreissymmetrischen Laserstrahlquerschnittes stark begünstigt wird.

Durch die deutsche Offenlegungsschrift DE-OS 20 42 612 ist bereits eine bifilare, heiische Elektrodenanordnung zur transversalen Anregung eines Molekularglaslasers bekanntgeworden, bei der sowohl die heiische Anode als auch die hellsehe Kathode mit zahlreichen Stiftelektroden besetzt ist. Dabei sind die Kathodenstifte außerhalb des Entladungsgefäßes durch einen heiischen Stromverteiler elektrisch miteinander verbunden, während die Anodenstifte zunächst durch die Verwendung geeigneter Vorwiderstände voneinander entkoppelt werden. Erst die äußeren Anschlußdrähte dieser Entkopplungswiderstände, deren zusätzliche Aufgabe es ist, den Entladungsstrom innerhalb des jeweiligen Entladungskanals zu begrenzen und damit den entstehenden Lichtbogen zu stabilisieren, sind zu einem heiischen Anodenstromverteiler zusammengefaßt. Die solcherart gebildeten Kathoden- bzw. Anodenstromverteiler werden meist an nur jeweils einem Punkt, und zwar vorzugsweise zentral, mit dem zur Anregung notwendigen Hochspannungsimpuls verborgt. Wesentlich ist aber bei solchen bekannten ibifilaren, heiischen Elektrodenanordnungen die Tatsache, daß die Entladungsstrecke immer mit dem Hochspannungsschalter und dem zu entladenden Kondensator in Reihe geschaltet ist. Zudem weist dieser Entladekreis üblicherweise eine relativ große Induktivität auf, was zum einen bereits durch die Eigeninduktivität des Schalters sowie des Kondensators bedingt ist und was andererseits durch eine notgedrungen weitläufige, große Flächen einschließende Leiterbahnführung hervorgerufen wird. Aufgrund dieses relativ hochinduktiven Entladekreises und der daraus resultierenden, relativ niedrigen Rate des Spannungs- bzw. Stromanstieges innerhalb der Gasentladung eignen sich die bekannten bifilaren, heiischen Elektrodenanordnungen allerdings nur zur Anregung von leicht invertierbaren Gasen, wie z. B. CO₂, die wegen der relativ langen Lebensdauer ihres oberen Laserniveaus auch schon durch Stromanstiegsflanken mit vergleichsweise niedriger Steigung angeregt werden können. Dagegen eignen sie sich aber nicht zur Anregung solcher gasförmiger Lasermedien, deren oberes Laserniveau eine extrem kurze Lebensdauer von weniger als 100 Nanosekunden besitzt und die deshalb in einer etwa gleich kurzen Zeitspanne angeregt werden müssen, damit sich in diesen Gasen eine Besetzungsinversion überhaupt erst aufbauen kann. Das wohl bekannteste solcher Lasermedien ist Stickstoff (N₂), dessen oberes Laserniveau nur etwa 40 Nanosekunden lang lebt, bevor es wieder zerfällt, und das daher als harter Prüfstein für eine »schnelle« Entladungsanordnung angesehen werden kann.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine bifilare, heiische Elektrodenanordnung der eingangs angegebenen Art so weiterzubilden, daß sie Laserstrahlung auch bei solchen gasförmigen Lasermedien, insbesondere bei Stickstoff, zu erzeugen gestattet, welche eine extrem kurze Lebensdauer des oberen Laserniveaus aufweisen. Zudem soll bei Verwendung anderer gasförmiger Lasermedien mit relativ langer Lebensdauer des oberen Laserniveaus, ζ. B, bei CO2, eine wirkungsvollere Anregung der beim Laserübergang beteiligten oberen Laserniveaus erreicht werden, als dies mit den bekannten bifilaren, heiischen Elektrodenanordnungen möglich ist.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Um bei Verwendung einer solchen bifilaren, heiischen Elektrodenanordnung auch dann

eine Lasertätigkeit herbeiführen zu können, wenn das Lasermedium ein oberes Laserniveau mit extrem kurzer Lebensdauer aufweist, sind Energiespeicher in Form von Kondensatoren in die bifilarc Helix eingefügt oder über niederohmige und niederinduktive Zuleitungen mit dieser verbunden. Durch direktes Einfügen der Kondensatoren in die bifilare Helix bzw. durch solche Zuleitungen werden die Entladungsstromschleifen hinreichend klein und damit auch hinreichend niederinduktiv gehalten, um die für eine wirkungsvolle Anregung ι ο eines gasförmigen Lasermediums mit extrem kurzer Lebensdauer des oberen Laserniveaus notwendige, extrem hohe Schnelligkeit des Stromanstiegs zu realisieren. Außerdem wird in gasförmigen Lasermedien mit längerer Lebensdauer des oberen Laserniveaus durch eine solcherart erzwungene Schnelligkeit des Stromanstieges eine Besetzungsinversion wirkungsvoller erzeugt, als dies mit den bekannten heiischen Elektrodenanordnungen möglich ist, ua aufgrund der Kürze der Entladungsdauer parasitäre Verlustmechanismen bezüglich der Besetzung des oberen Laserniveaus weitgehend vermieden werden.

In den Unteransprüchen 4 bis 6 sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung für den Fall angegeben, daß das Durchschlagsverhalten des jeweils verwendeten gasförmigen Lasermediums zusätzliche entladungsstabilisierende Maßnahmen erfordert. Diese zusätzlichen Maßnahmen betreffen die Unterteilung der bifilaren Helix in Elektrodentdlbereiche sowie die Entkopplung der Einzelelektroden untereinander. Bei der im Anspruch 4 angeführten Unterteilung der heiischen Elektrodenstruktui in mehrere gleichberechtigte Elektrodenteilbereiche wird eine grobe Vorentkopplung benachbarter Sektionen dadurch erreicht, daß jeder Sektion ein eigener Energiespeicher zugeordnet ist. Daran anknüpfend berücksichtigt der Anspruch 5 den Grenzfall der Unterteilung der heiischen Elektrodenstruktur in genau so viele Elektrodenteilbereiche, wie Einzelelektroden in einer Helix vorhanden sind. Anspruch 6 schließlich beinhaltet die Anwendung geeigneter Entkopplungsmaßnahmen zwecks gleichmäßiger Verteilung des Entladungsstromes auf die beteiligten Einzelelektroden, um die Einschnürung der Gasentladung auf iinige wenige Stromkanäle zu verhindern. Insgesamt gesehen haben sowohl die Grobals auch die Feinentkopplung, entweder einzeln oder kombiniert, die Aufgabe, für eine gleichmäßige und diffuse Gasentladung auf der vollen Länge der Eiektrodenstruktur und damit für eine stabile, transversale Anregung zu sorgen. Abschließend ist in Anspruch 7 eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen bifilaren, heiischen Elektrodenanordnung angegeben, die mit handelsüblichen Bauteilen und gängigen Labormitteln einfach herzustellen ist.

Durch die Anwendung der an sich bekannten heiischen Elektrodenstruktur bei einem Gaslaser-Entladungsgefäß wird Laserstrahlung mit etwas kreisrundem Strahlquerschnitt erzeugt, und zwar nicht etwa durch Ausblenden eines homogenen Entladungsbereiches mit Hilfe einer kreisförmigen Irisblende, sondern allein durch die hochgradig rotationssymmet: ische, transversale Anregung des Mediums. Aufgrund der Überlagerung zahlreicher transversaler Einzelentladungen zwischen Stiftelektroden, deren Entladungsachse gegenüber der des direkten Nachbarpaares um einen kleinen Winkel versetzt ist, erscheint in der Projektion auf den Rohrquerschnitt ein homogen ausgeleuchteter Kreis mit leichter Betonung der Kernzone, was bei Benutzung eines optischen Resonators die natürliche Bevorzugung der transversalen Grundmode TFMou zur Folg? hätte. Ein Strahl mit rundem StrahJquersehniii besitzt eine einheitliche Divergenz, d. h. statt wie bisher mii einer horizontalen und einer vertikalen Divergenz zu operieren, genügt jetzt die Angabe eines Wertes, der umso besser ausfällt, je länget da.. Entladungsgefäß i> >t. Vor allem aber hat ein Laserstrahl m. rundem Strahlquerschnitt nahezu ideale Fokussieru gseigenschaften. d. h. erstmalig kann z. B. Stickstoff-Laserstrahlung mit herkömmlichen sphärischen Quarzlinsen auf einen Punkt fokussiert werden, was dort zu extrem hohen Leistungsdichten führen kann.

In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel eines N2-Lasers mit einer bifilaren, heiischen Elektrodenanordnung schemat: ;ch dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 eine bifilare. heiische Elektrodenanordnung mit direkt in die bifilare Helix eingefügten Kondensatoren,

Fig.2 die Schaltung des elektrischen Entladungsstromkreises,

Fi g. 3 ein Oszillogramm der Laser-Ausgangsleistung des erfindungsgemäßen heiischen NrLasers,

F i g. 4 den Querschnitt des Laserstrahls.

In der Fig. 1 ist das Entladungsgefäß mit G bezeichnet. Es besteht aus einem Acrylglasrohr mit 40 mm Außendurchmesser und besitzt eine Gesamtlänge von 600 mm. An beiden Stirnseiten sind durch O-Ringe abgedichteie Quarzfenster F aufgesetzt (F i g. 2). Die von der Elektrodenstruktur umschlossene aktive Zone hat eine Länge von 500 mm. Das Elektrodensystem besteht aus einer heiischen Anode A und einer gegenüber der Anode um 180° um die Rohrachse gedrehten heiischen Kathode K. Beide werden durch je eine Reihe von Kohlemassewiderständen Re gebildet, welche als Entkopplungselemente dienen und einen individuellen Widerstandswert von 10 Ohm bei einer nominalen Leistungsaufnahme von 2 Watt besitzen Die Widerstandsdrähte, welche direkt als Elektrodenstifte E innerhalb der bifilaren Helix dienen, sind auf gleiche Länge gekürzt, und jeder Widerstandskörper ist auf das Acrylglasrohr aufgeklebt, so daß eine ausreichende Vakuumdichtigkeit gewährleistet ist. Die Schlagweite und die Steigung der Helix betragen 20 mm bzw. 100 mm, wobei die letztere genau fünf volle Windungen der bifilaren Helix entlang der aktiven Länge erzeugt. Im ganzen gibt es 101 Stiftelektrodenpaare, die auf die Rohrlänge verteilt sind, wobei jeweils 20 Paare eine Windung bilden-, daraus resultieren transversale Entladungen im Abstand von 5 mm, wenn man die Entfernung zweier aufeinanderfolgender Widerstandselemente, die durch die Abmessungen der Widerstände nach unten begrenzt ist, auf die Rohrachse projiziert. Die außerhalb liegenden Widerstandsdrähte der Kathodenreihe sind miteinander verlötet und bilden einen glatten heiischen Stromverteiler, während die Widerstandselemente der Anode zu Zchnergrupper. zusammengefaßt sind, wodurch eine zusätzliche grobe Vorentkopplung jedes Teilbereichs von seinen Nachbarbereichen stattfindet.

Für die Anregung des I asers ist ein Hochspannungs-Pulsgenerator nach dem Umladeprinzip vorgesehen, dessen Schaltung in der Fig.2 dargestellt ist. Die Anordnung der Umladekapazität Co ist an die Gegebenheiten der heiischen Elektrodenstruktur angepaßt, d. h. zur Erzielung einer gleichmäßigen Entladung über die gesamte Länge der Elektrodenkonfiguration ist jedem Anodenteilbereich Ai ...A_n über eine eigene,

niederinduktive Stromzuführung Z\ ... Z_n jeweils ein Umladekondensator Cd ι... Ca₇CIs lokaler Energiespeicher zugeordnet. Um eine möglichst niederinduktive Art solcher Zuleitungen zu erreichen, sind die Umladekondensatoren Cot ... Con direkt in die freibleibenden Zwischenräume der bifilaren Helix eingesetzt (wie in der F i g. 1 angedeutet).

Nach der Schaltung in Fig.2 wird zunächst ein niederinduktiver Speicherkondensator Cs von einer Hochspannungsversorgung über die Widerstände R] und R₂ aufgeladen, bis eine druckbetriebene Funkenstrecke 5 gezündet wird, die somit eine Seite von Cs erdet. Dadurch wird die Ladung von Cs auf die Ümladekapazität Cd übertragen, weiche aus zehn einzelnen 570 pF-Hochspannungs-Keramikkondensa-'toren besteht. Diese sind auf die Länge der Röhre verteilt, wobei ein einzelnes Kondensatorelement zu jeweils einem der zehn Elektrodenteilbereiche parallel geschaltet ist. Sobald sich auf den Umladekondensatoren Ladung ansammelt, steigt die Spannung an der Laserröhre an; nach dem Durchbruch entladen sich die Kondensatoren Cd ι ... Co_n rasch über das Gas. Dies bewirkt dann direkte Elektronenstoßanregung der Tripletzustände des zweiten positiven Bandensystems von molekularem Stickstoff und nachfolgende Lasertätigkeit bei 337,1 nm. Der Widerstand R\ hat die Aufgabe, den Strom des Netzgerätes während der Erdungsphase durch die Funkenstrecke zu begrenzen. Der niederindukiive Speicherkondensator C₅ besteht aus acht ^einzelnen 2400 pF-Hochspannungs-Keramikkondensa-■ toren, weiche koaxial um die druckluftgesteuerte Drei-Elektroden-Funkenstrecke S angeordnet sind, wobei die Funkenstrecke über eine normale Zündkerze Τ? ausgelöst werden kann. Außerdem wird die induktivität des Schaltkreises dadurch niedrig gehalten, daß zwanzig gleich lange Koaxialkabel vom Typ RG-213/U in Parallelschaltung den Speicherkondensator Cs mit den diskreten Umladekondensatoren Co ι... Con verbinden. Hinzu kommt, daß zehn einzelne Hochspannungswiderstände R₂, ... R_2n (n = 10) aus demselben Grund parallel geschaltet werden, um R₂ zu bilden.

Betrieben wurde der Laser mit einem aluminäumbedampften Glassubstrat, welches als rückwärtiger Spiegel bzw. als Totalreflektor M für die betrachtete Wellenlänge diente. Die Lichtleistung der nach einem zweifachen Durchlauf aus dem vorderen Fenster austretenJen Laseremission wurde mit Hilfe eines geeigneten Satzes von metallbeschichteten Neutralglasfiltern abgeschwächt. Registriert wurden die Laserpulse mit einem schnellen Nachweissystem, bestehend aus einer Vakuumphotodiode sowie aus einem Oszillographen mit einer gemeinsamen Anstiegszeit von etwa 400 ps. Ausgangsspitzenleistungen wurden von Energie · messungen abgeleitet, und zwar durch Verwendung eines Energiemeßgerätes zusammen mit einem pyroelektrischen Energiemeßkopf, was verläßlicher als eine Photodioden-Abschwächfilter-Kombination war, da hier die Möglichkeit bestand, 100 Einzelschüsse zu mitteln. Da bei diesem Laser der optimale Betrieb druckabhängig ist, wurden die Meßwerte dadurch aufgenommen, daß eine konstante Ladespannung eingestellt und danach der Gasdruck durch das Maximum der Laserausgangsleistung »hindurchgefahren« wurde. Dabei stellte sich heraus, daß ein geeigneter Gasdurchfluß innerhalb der Laserröhre sehr wichtig war, insbesondere beim Betrieb mit hohen Pulswiederholraten, da die vom Vorpuls zurückbleibende Restionisation die Durchbruchsspannung des Gases erheblich vermindert, was eine Abnahme der Laserleistung bewirkt.

Eine Schirmbildaufnahme, welche die Zeitabhängigkeit der ultravioletten Laseremission zeigt, ist in F i g. 3 dargestellt. Sie steht stellvertretend für die typische Gestalt des Laserausgangspulses, wobei 3600 Einzelschüsse überlagert wurden. In diesem speziellen Falle betragen die Vertikal- sowie die Horizontalablenkung

ίο 150 kW/cm bzw. 5 ns/cm, und zwar bei einer Ladespannung von 22 kV (gemessen an Cs) und einem N2-Druck von 80 mbar. Die Schwellspannung für Lasertätigkeit lag bei 11 kV. Bei einer Ladespannung von 32 kV wurden Spitzenleistungen von 480 kW mit einer Energie von 2,4 mj pro Schuß erreicht. Bei den oben genannten Pulsspitzenleistungen wurden während des Experimentes durchweg Halbwertsbreiten von 5 bis 6 ns gemessen. Die spezifische Laserenergie betrug 15 μΙ/cm³ bei einem aktiven Volumen von 157 cm³ und einem Gesamtwirkungsgrad von 0,03%. Wie in F i g. 3 aus der großen Anzahl überlagerter Einzelschüsse ersichtlich ist, waren die Reproduzierbarkeit von Schuß zu Schuß und damit auch die Laserstabilität ausgezeichnet.

Der sichtbare Eindruck des Laserstrahlquerschnittes ist in der F i g. 4 dargestellt. Der Laserstrahl, der zwecks Sichtbarmachung auf einen fluoreszierenden Schirm gelenkt wurde, ist vollkommen homogen und zeigt einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Nahfeld-Durchmesser von ungefähr 20 mm, wodurch die Schlagweite einer jeden Stiftentladung reproduziert wird. Dieser Querschnitt wurde nicht etwa durch die Verwendung einer kreisförmigen Blende erreicht, sondern ist die klare Konsequenz der Entladungsgeometrie, d. h. der heiischen Elektrodenstruktur. Jede der Stiftentladungen ist gegenüber ihrem Vorgänger um einen kleinen Winkel verdreht, eine Tatsache, die einen wohldefinierten, kreissymmetrischen Laserstrahl erzeugt, welcher sich mit herkömmlicher sphärischer Optik leicht fokussieren läßt. Dazu ist zu bemerken, daß die Stiftspitzen der letzten Windung der bifilaren Helix auf den Schirm projiziert werden, und zwar als Auswirkung der Strahldivergenz bzw. aufgrund von Laseremission, welche auf der Achse des rückwärtigen Teils der Röhre erzeugt wird, was insgesamt zu einer Sägezahnstruktur der Strahlberandung führt, welche sich aber sehr leicht, und zwar auch schon laserintern, ausblenden ließe.

Die Meßergebnisse zeigen, daß mit den Merkmalen der Erfindung elektrische Entladungen in einem heiischen N₂-Laser trotz langgestreckter und induktivitätsbehafteter Stromschleifen schnell genug gemacht werden können, um eine Besetzungsinversion in molekularem Stickstoff herbeizuführen. Vor allem aber ist ersichtlich, daß das radiale Verstärkungsprofil, welches durch die Verwendelung zahlreicher transversaler Entladungen hervorgerufen wird, einen kreissymmetrischen Laserstrahl erzeugt, welcher mit herkömmlicher sphärischer Optik leicht fokussiert werden kann.

ω Die beschriebene Apparatur ist der erste heiische, transversal angeregte NrLaser, welcher Ausgangsdaten liefert, die sich durchaus mit denen konventioneller Bauformen vergleichen lassen.
Nach Abschluß der Messungen an dem vorstehend beschriebenen Aüsführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen bifilaren, heiischen Elektrodenanordnung wurde festgestellt, daß ähnlich gute Betriebsergebnisse bei einem heiischen N₂-Laser auch dann erzielt werden

können, wenn die bifilare Helix nicht von Widerständen, sondern von einfachen Drahtstiften mit zugehöriger Drahtverbindung gebildet und die Unterteilung in Stiftepaar-Zehnergruppen aufgegeben wird. Dabei entfällt die Feinentkopplung benachbarter Entladungen durch die Widerstände sowie die grobe Vorentkopplung durch Bildung von Elektrodenteilbereichen. Dieses überraschende Verhalten einer vereinfachten bifilaren, heiischen Elektrodenanordnung ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, daß bei Stickstoff der optimale Druck für eine homogene, bogenfreie Entladung (20mbar bis etwa 150mbar) gerade den optimalen Laser-Betriebsdruck"(ca/50 bis'80'mbar) miteinschließt, so daß hier keine Entkopplungsmaßnahmen notwendig

sind. Es ist aber davon auszugehen, daß dies bei Verwendung anderer Gase nicht zutrifft und daß dann auf die im Ausführungsbeispiel bzw. in den Unteransprüchen beschriebenen Entkopplungsmaßnahmen nicht verzichtet werden kann.

Darüber hinaus sollte der Betrieb einer erfindungsgemäßen bifilaren. heiischen Elektrodenanordnung auch dann möglich sein, wenn eine der beiden Elektrodenwendeln, z. B. die Kathode, als heiischer Balken ausgeführt ist und somit keine Einzel- odsr Stiftelektroden trägt. Für die andere Elektrodenwendel, z. B. die Anode, kämen dagegen wieder sämtliche Möglichkeiten der Entkopplung bzw. der Unterteilungen.Elektrode'nteilbereiche in F.rage.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims (7)

Patentansprüche:

1. Bifilare, heiische Elektrodenanordnung zur transversalen Anregung gasförmiger Lasermedien, bestehend aus einer heiischen Anode und einer heiischen Kathode, welche als längliche Elektroden ausgeführt oder welche mit Einzelelektroden, z. B. mit Stiftelektroden, besetzt sind, dadurch ge kennzeichnet, daß zwischen den beiden heiischen Elektrodenstrukturen in Abständen Energiespeicher in Form von Kondensatoren (Cd) über niederohmige und niederinduktive Zuleitungen (Z) eingeschaltet sind.

2. Bifilare, heiische Elektrodenanordnung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren (Cd) in gleichmäßigen Abständen voneinander angeordnet sind

3. Bifilare, heiische Elektrodenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, da8 die Kondensatoren (Cd) unmittelbar in die freien Zwischenräume der Doppelhelix eingefügt und mit den heiischen Elektrodenstrukturen auf direktem Wege elektrisch verbunden sind.

4. Bifilare, heiische Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Anodenhelix in einzelne, voneinander getrennte Sektionen (A\... A_n) aufgeteilt ist, denen jeweils ein Kondensator (Co ι... Ca») zugeordnet ist.

5. Bifilare, heiische Elektrodenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Sektion (A\... A_n) mindestens eine Stiftelektrode (E) aufweist.

6. Bifilare, heiische Elektrodenanordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Stiftelektroden (E) jeder Helix (A und K) bzw. jeder Sektion durch geeignete Entkopplungsmaßnahmen, z. B. durch Widerstände (Rt), voneinander entkoppelt sind.

7. Bifilare, heiische Elektrodenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Entkopplungswiderstände (Re) handelsübliche Kohlemassewiderstände sind, deren einer Anschlußdraht als Stiftelektrode (E) von außen durch die Wand des von einem Isolierrohr, z. B. aus Acrylglas, gebildeten Entladungsgefäßes (G) gesteckt und dort dichtend verklebt ist, während der andere Anschlußdraht zur Bildung einer Helix oder einer Sektion derselben mit den äußeren Anschlußdrähten der benachbarten Widerstände verlötet ist.

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