DE3343130A1 - X-ray tube having an auxiliary cathode - Google Patents

X-ray tube having an auxiliary cathode

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Abstract

The invention relates to an X-ray tube having a tube bulb which consists of metal. In addition to the actual cathode which is required for producing the X-ray radiation, this X-ray tube contains an auxiliary cathode which is surrounded by a cathode cup which forms a part of the earthed metal bulb or is electrically conductively connected thereto. The auxiliary cathode can be switched over from a first operating mode, in which it carries a potential which is positive with respect to earth, to a second operating mode, in which it is approximately at earth potential, with the aid of a switchable voltage source. <IMAGE>

Description

11Röntgenröhre mit einer Hilfskathode11 X-ray tube with an auxiliary cathode

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre mit einer positive Hochspannung führenden Anode und einer negative Hochspannung führenden Kathode sowie mit einer Hilfskathode, die von einem Kathodenbecher umschlossen wird, und mit einer umschaltbaren Spannungsquelle, die die Spannung zwischen der Hilfskathode und dem Kathodenbecher bestimmt, so daß in einem ersten Betriebszustand der Emissionsstrom der Hilfskathode zur Anode im wesentlichen unterdrückt ist und in einem zweiten Betriebszustand die aus der Hilfskathode emittierten Elektronen auf einer vom Brennfleck entfernten Stelle auf die Anode treffen. Eine solche Röntgenröhre ist aus der DE-AS 1 037 032 bekannt.The invention relates to an X-ray tube with a positive high voltage leading anode and a negative high voltage leading cathode as well as with a Auxiliary cathode, which is enclosed by a cathode can, and with a switchable Voltage source that provides the voltage between the auxiliary cathode and the cathode cup determined so that in a first operating state the emission current of the auxiliary cathode to the anode is essentially suppressed and in a second operating state the electrons emitted from the auxiliary cathode at a distance away from the focal point Place on the anode. Such an X-ray tube is from DE-AS 1 037 032 known.

Es ist bekannt, daß die mit Hilfe der üblichen Hochspannungserzeuger erzeugte Spannung an einer Röntgenröhre nicht beliebig schnell abgesenkt werden kann, weil in den Ausgangskapazitäten des Hochspannungserzeugers sowie des Zuleitungskabels vom Hochspannungserzeuger zur Röntgenröhre Energie gespeichert ist, so daß die Röhrenspannung nur in dem Maße abnehmen kann, in dem die erwähnten Kapazitäten entladen werden.It is known that with the help of the usual high voltage generator The voltage generated on an X-ray tube cannot be lowered as quickly as desired can, because in the output capacities of the high voltage generator and the supply cable Energy is stored from the high voltage generator to the X-ray tube, so that the tube voltage can only decrease to the extent that the capacities mentioned are discharged.

Die Entladung der Kapazitäten erfolgt üblicherweise über den durch die Röntgenröhre fließenden Betriebsstrom, so daß die Entladezeitkonstante von der Größe des Röhrenstrom abhängt. Wenn z.B. bei einer Durchleuchtung oder bei Aufnahmebetrieb mit kleiner Leistung nur sehr kleine Röhrenströme fließen, werden sehr lange Entladezeiten beobachtet, was bedeutet, daß auch die von der Röntgenröhre erzeugte Dosisleistung nur relativ langsam abnimmt.The capacities are usually discharged via the through the X-ray tube operating current flowing so that the discharge time constant of the Depends on the size of the tube current. If, for example, during a fluoroscopy or during an exposure session with low power only very small tube currents flow, the discharge times are very long observed, which means that the dose rate generated by the X-ray tube only decreases relatively slowly.

Bei der Röntgenröhre der eingangs genannten Art wird mit Hilfe des aus Hilfskathode und Kathodenbecher bestehenden zusätzlichen Kathodensystems eine schnellere Entladung der erwähnten Kapazitäten erreicht, indem immer dann, wenn die Hochspannung bzw. die Dosisleistung abgesenkt werden soll, die Umschaltspannungsquelle in den zweiten Betriebszustand gebracht wird, in dem ein relativ starker Emissionsstrom von der Hilfskathode zur Anode fließt, so daß die Generator- und Kabelkapazitäten schnell entladen und die Röhrenspannung bzw die Dosisleistung schnell abgesenkt wird.In the case of the X-ray tube of the type mentioned above, the an additional cathode system consisting of an auxiliary cathode and cathode cup faster discharge of the mentioned capacities achieved by whenever the high voltage or the dose rate is to be lowered, the switching voltage source is brought into the second operating state in which a relatively strong emission current flows from the auxiliary cathode to the anode, so that the generator and cable capacitances quickly discharged and the tube voltage or dose rate lowered quickly will.

Durch den Emissionsstrom, der von der Hilfskathode zur Anode fließt, wird zwar ebenfalls Röntgenstrahlung erzeugt, doch wird diese bei der Röntgenbilderzeugung nicht wirksam und belastet den Patienten nicht, weil die aus der Hilfskathode emittierten Elektronen auf einer vom Brennfleck, aus dem die Nutzstrahlung austritt, entfernten Stelle auf die Anode treffen.Due to the emission current flowing from the auxiliary cathode to the anode, X-ray radiation is also generated, but it is generated during X-ray imaging ineffective and does not burden the patient because those emitted from the auxiliary cathode Electrons removed from the focal point from which the useful radiation emerges Place on the anode.

Die Hilfskathode führt bei der bekannten Röntgenröhre ebenso wie die zur Bildgebung benutzte Kathode negatives Hochspannungspotential. Zum Zuführen eines Heizstromes für die Hilfskathode ist daher in dem Hochspannungskabel, über das die negative Hochspannung zugeführt wird, ein weiterer Leiter erforderlich und der Heizstromtransformator, der die Heizströme für die zur Röntgenbilderzeugung benutzbare(n) Kathode(n) sowie für die Hilfskathode erzeugt, wird entsprechend aufwendiger. Die Spannung für die zur Röntgenbilderzeugung benutzte Kathode und für die Hilfskathode wird durch je eine Gleichrichteranordnung erzeugt, die an die Sekundärwicklungen zweier Transformatoren angeschlossen sind. Die Primärwicklung jeweils eines dieser Transformatoren ist mit der Sekundärwicklung eines weiteren Transformators verbunden, dessen Primärwicklung an einen Hochfrequenzgenerator angeschlossen ist. Obwohl die auf diese Weise erzeugten Spannungen im Vergleich zur Spannung an der Röntgenröhre relativ klein sind, muß zumindest die Sekundärwicklung des weiteren Transformators gegenüber seiner Primärwicklung eine ehebliche Isolation aufweisen, weil die Gleichrichteranordnung sich auf negativem Hochspannungspotential befindet, während der Hochfrequenzgenerator in der Regel annähernd Erdpotential führt.The auxiliary cathode leads in the known X-ray tube just like the Cathode used for imaging negative high voltage potential. To feed one Heating current for the auxiliary cathode is therefore in the high-voltage cable through which the negative high voltage is supplied, another conductor required and the heating current transformer, the heating currents for the cathode (s) that can be used for x-ray imaging and generated for the auxiliary cathode is correspondingly more expensive. The tension for the cathode used for X-ray imaging and for the auxiliary cathode is by ever a rectifier arrangement is generated which is connected to the secondary windings of two transformers are connected. The primary winding is one of these transformers connected to the secondary winding of another transformer, its primary winding is connected to a high frequency generator. Although those produced in this way Tensions compared to Voltage on the X-ray tube relative are small, at least the secondary winding of the further transformer must be opposite its primary winding have considerable insulation because the rectifier arrangement is on negative high voltage potential while the high frequency generator usually leads approximately to earth potential.

In der DE-AS 1 037 032 ist zwar eine Röntgenröhre mit einem offensichtlich aus Glas bestehenden Röhrenkolben beschrieben, doch ergeben sich dieselben Vor- und Nachteile auch bei einer Röntgenröhre, deren Röhrenkolben ganz oder teilweise aus Metall besteht.In DE-AS 1 037 032 an X-ray tube with one is obvious made of glass tubular flasks described, but the same advantages result and disadvantages also in the case of an X-ray tube, the tube piston in whole or in part made of metal.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Röntgenröhre der eingangs genannten Art, die jedoch einen ganz oder wenigstens in Teilen aus Metall bestehenden geerdeten Röhrenkolben aufweist, so auszubilden, daß beigeringerem Aufwand ebenfalls ein beschleunigtes Absenken der Dosisleistung möglich ist.It is the object of the present invention to provide an X-ray tube of the initially mentioned mentioned type, which, however, consists entirely or at least in part of metal has grounded tubular piston to train so that with less effort also an accelerated lowering of the dose rate is possible.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß wenigstens ein Teil des Röhrenkolbens aus Metall besteht und geerdet ist, daß der Kathodenbecher einen Teil des geerdeten Metallkolbens bildet oder mit diesem elektrisch leitend verbunden ist, und daß die Spannungsquelle so ausgelegt ist, daß im ersten Betriebszustand die Hilfskathode ein gegenüber Erde positives Potential führt und im zweiten Betriebszustand annähernd Erdpotential.This object is achieved according to the invention in that at least a part of the tubular envelope is made of metal and is grounded that the cathode cup forms part of the grounded metal piston or is electrically conductive with it is connected, and that the voltage source is designed so that in the first operating state the auxiliary cathode has a positive potential with respect to earth and in the second operating state approximately earth potential.

Da bei der Erfindung der Kathodenbecher das Potential des Metallkolbens bzw. des aus Metall bestehenden Teils des Röhrenkolbens führt, d.h. Erdpotential, und da die Spannung zwischen diesem Kathodenbecher und Hilfskathode relativ gering sein kann (in der Größenordnung von 1 kV), ist die Erzeugung der Vorspannung zwischen Hilfskathode und Kathodenbecher relativ einfach. Aufwendige Isolationsmaßnahmen sind nicht erforderlich - ebensowenig wie eine zusätzliche Leitung im kathodenseitigen Hochspannungskabel.As in the invention of the cathode cup, the potential of the metal piston or the part of the tubular bulb made of metal, i.e. earth potential, and because the voltage between this cathode can and auxiliary cathode is relatively low can be (of the order of 1 kV), is the generation of the Pre-tensioning between the auxiliary cathode and the cathode cup is relatively simple. Elaborate Isolation measures are not required - and neither is an additional line in the high-voltage cable on the cathode side.

Durch die Erfindung wird lediglich die Spannung zwischen der Anode und dem auf Erdpotential befindlichen Metallkolben schnell herabgesetzt. Die Spannung der Kathode gegenüber dem Metallkolben ändert sich im wesentlichen in der gleichen Weise wie bei einer Röntgenröhre ohne Hilfskathode. Das bedeutet, daß mit einer erfindungsgemäßen Röntgenröhre, bei der Anodenspannung und Kathodenspannung (gegenüber Erde) dem Betrage nach gleich groß sind, lediglich eine schnelle Absenkung der Röhrenspannung auf die Hälfte des vorherigen Wertes möglich ist; der Röhrenstrom wird durch diese Absenkung nicht beeinflußt, falls er nicht durch Raumladungseffekte verringert wird. Da aber die Dosisleistung sich etwa mit der fünften Potenz der Röhrenspannung ändert, ergibt sich gleichwohl eine sehr schnelle Absenkung der Dosisleistung auf einen praktisch vernachlässigbaren Wert.With the invention, only the voltage between the anode and the metal piston, which is at ground potential, is quickly reduced. The voltage the cathode opposite the metal envelope changes essentially in the same way Like an X-ray tube without an auxiliary cathode. That means that with a X-ray tube according to the invention, with the anode voltage and cathode voltage (opposite Earth) are equal in magnitude, only a rapid decrease in the tube voltage half of the previous value is possible; the tube current is through this Lowering not affected if it is not reduced by space charge effects. But since the dose rate changes with the fifth power of the tube voltage, there is nevertheless a very rapid reduction in the dose rate to one practically negligible value.

Der Aufwand für die umschaltbare Spannungsquelle wird nach einer Weiterbildung der Erfindung besonders gering, wenn die Kathode über einen hochohmigen Widerstand geerdet ist und dem Widerstand ein Schalter parallelgeschaltet ist.The effort for the switchable voltage source is based on a training the invention is particularly low when the cathode has a high resistance is grounded and a switch is connected in parallel to the resistor.

Die Vorspannung zwischen Kathodenbecher und Hilfskathode stellt sich bei geöffnetem Schalter automatisch auf einen solchen Wert ein, daß zwischen Anode und Hilfskathode nur ein vernachlässigbar kleiner Strom fließen kann, der um so kleiner ist, je hochohmiger der Widerstand ist. Wenn der hochohmige Widerstand durch den Schalter kurzgeschlossen wird, verschwindet die Vorspannung und der gesamte Emissionsstrom der Hilfskathode kann zur Anode fließen.The bias voltage between the cathode cup and the auxiliary cathode is established with the switch open automatically to such a value that between anode and auxiliary cathode only a negligibly small current can flow, which is so is smaller, the higher the resistance is. When the high resistance through the switch is short-circuited, the bias voltage disappears and the whole Emission current of the auxiliary cathode can flow to the anode.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to the drawing.

Die Zeichnung zeigt schematisch eine Röntgenröhre 1, deren Anodensystem 2 und deren Kathodensystem 3 auf nicht näher dargestellte Weise isolierend mit dem aus Metall bestehenden Röhrenkolben 4 verbunden sind.The drawing shows schematically an X-ray tube 1, its anode system 2 and its cathode system 3 in a manner not shown in isolation with the Tubular piston 4 made of metal are connected.

Im Betriebszustand wird der Anodenanordnung 2 über ein Hochspannungskabel 5 eine positive Hochspannung von einem Hochspannungserzeuger 6 zugeführt. Dieser liefert über ein Hochspannungskabel 7 die negative Hochspannung für das Kathodensystem 3 sowie einen Heizstrom für eine der beiden im Kathodensystem 3 enthaltenen Kathoden.In the operating state, the anode arrangement 2 is connected via a high-voltage cable 5, a positive high voltage is supplied from a high voltage generator 6. This supplies the negative high voltage for the cathode system via a high-voltage cable 7 3 and a heating current for one of the two cathodes contained in the cathode system 3.

Die im Betrieb im Brennfleck 8 auf der Anode 2 erzeugte Röntgenstrahlung tritt durch ein Strahlenaustrittsfenster 9 in der im übrigen nicht näher dargestellten, die Röntgenröhre 1 umschließenden Röhrenschutzgehäuse aus.The X-rays generated in the focal spot 8 on the anode 2 during operation passes through a beam exit window 9 in the otherwise not shown, the X-ray tube 1 enclosing protective tube housing.

Zwischen der Anode 2 und dem Kathodensystem 3 befindet sich eine Metallblende, die ebenso wie der Röhrenkolben 4, Erdpotential führt und durch deren Öffnung der Elektronenstrom von der Kathode zur Anode durchtritt. Zweck dieser Blende ist es, die an der Anode rückgestreuten Elektronen aufzufangen und von der Kathode fernzuhalten.Between the anode 2 and the cathode system 3 there is a metal screen, which, like the tubular piston 4, leads to earth potential and through the opening of which the Electron flow passes from the cathode to the anode. The purpose of this screen is to to capture the electrons backscattered at the anode and keep them away from the cathode.

Das Vorhandensein einer derartigen Blende ist für die Erfindung jedoch keine Voraussetzung.However, the presence of such a diaphragm is essential for the invention no requirements.

Der Röhrenkolben 4 weist im Bereich der Anode 2 auf der dem Strahlenaustrittsfenster 9 gegenüberliegenden Seite einen nach außen gerichtete becherförmige Vertiefung 11 auf, in der ein thermoionischer Elektronenemitter, der im folgenden als Hilfskathode bezeichnet wird, angeordnet ist, der über zwei Isolierdurchführungen mechanisch mit dieser Vertiefung 11 verbunden ist, die im folgenden als Kathodenbecher bezeichnet wird. Die Hilfskathode 12 ist an eine Stromquelle 13 angeschlossen, die einen Heizstrom in der erforderlichen Größe liefert. Vorzugsweise wird als Hilfskathode eine solche mit hoher Emissionsstromdichte und langer Lebensdauer verwendet, insbesondere eine Nachlieferungskathode. Mit einer solchen Kathode können Emissionsströme erzeugt werden, die größer sind als die maximalen Emissionsströme (1 bis 2 A) in einer Röntgenröhre. Dadurch wird die Entladung der zwischen Anode 2 und Erde wirksamen, in der Zeichnung bei 13 gestrichelt angedeuteten Kapazität, die durch das Kabel 5 in Verbindung mit dem die positive Hochspannung erzeugenden Teil des Röntgengenerators 6 bedingt ist, beschleunigt.In the area of the anode 2, the tubular bulb 4 points to the radiation exit window 9 opposite side an outwardly directed cup-shaped recess 11, in which a thermionic electron emitter, hereinafter referred to as the auxiliary cathode is referred to, is arranged, which is mechanically via two insulating bushings is connected to this recess 11, hereinafter referred to as Cathode can referred to as. The auxiliary cathode 12 is connected to a power source 13 which supplies a heating current of the required magnitude. Preferably used as an auxiliary cathode one with high emission current density and long service life is used, in particular a replacement cathode. With such a cathode emission currents can be generated that are greater than the maximum emission currents (1 to 2 A) in an X-ray tube. This makes the discharge effective between anode 2 and earth, in the drawing at 13 indicated by dashed lines capacity through the cable 5 in connection with the part of the X-ray generator 6 that generates the positive high voltage, accelerated.

Der Kathodenbecher 11 ist so geformt und die Hilfskathode 12 in ihm so angeordnet, daß der Anodendurchgriff ausreicht, um möglichst viele der aus der Hilfskathode 12 emittierten Elektronen auf die Anode gelangen zu lassen, wenn das Hilfskathodenpotential dem Erdpotential entspricht, und daß andererseits schon mit einer geringen positiven Vorspannung der Hilfskathode 12 gegenüber dem Kathodenbecher 11 bzw. Erde der Elektronenstrom von der Hilfskathode 12 zur Anode 2 wenigstens annähernd vollständig unterbunden werden kann. Außerdem muß der Becher so geformt sein, daß die zur Anode 2 gelangenden Elektronen auf einen verhältnismäßig großen Bereich auftreffen, damit die durch den zusätzlichen Strom aus der Hilfskathode verursachte spezifische thermische Belastung der Anode gering bleibt.The cathode can 11 is shaped and the auxiliary cathode 12 in it arranged so that the anode penetration is sufficient to remove as many of the from the Auxiliary cathode 12 to allow electrons emitted to reach the anode, if that Auxiliary cathode potential corresponds to the earth potential, and that on the other hand already with a slight positive bias of the auxiliary cathode 12 with respect to the cathode can 11 or earth the electron flow from the auxiliary cathode 12 to the anode 2 at least can be almost completely prevented. Also, the cup must be shaped like this be that the electrons reaching the anode 2 on a relatively large Area so that the additional current from the auxiliary cathode caused specific thermal load on the anode remains low.

Die Vorspannung, durch die der Stromfluß von der Hilfskathode 12 zur Anode 2 unterbunden wird, wird automatisch mittels eines hochohmigen Widerstandes 14 von z.B. 10 MOhm erzeugt, der zwischen einen der beiden Anschlüsse der Hilfskathode und Erdpotential geschaltet ist und dem ein geeigneter vorzugsweise elektronischer Schalter 15 parallelgeschaltet ist. Solange der Schalter 15 geöffnet ist, wird d?r Strom auf einen Wert begrenzt, der sich aus dem Verhältnis der zur vollständigen Unterbindung des Elektronenstroms erforderlichen Vorspannung (z.B. 1 kV) und der Größe des Widerstandes 14 ergibt und der in dem gewählten Beispiel etwas weniger als 100 pA beträgt; dadurch wird an dem Widerstand 14 ein Spannungsabfall von etwas weniger als 1 kV hervorgerufen. Wenn eine schnelle Abschaltung bzw. Absenkung der Dosisleistung erforderlich ist, wird der Schalter 15 geschlossen und damit der Widerstand 14 krzgeschlossen. Die Hilfskathode 12 führt dann Erdpotential, und der aus ihr emittierte Elektronenstrom in der Größenordnung von 10 A fließt zur Anode 2 und entlädt dadurch in kürzestes Zeit die Kabel- und Generatorkapazität 13.The bias through which the current flow from the auxiliary cathode 12 to Anode 2 is cut off automatically by means of a high-value resistor 14 of e.g. 10 MOhm is generated between one of the two connections of the Auxiliary cathode and earth potential is connected and a suitable, preferably electronic, one Switch 15 is connected in parallel. As long as the switch 15 is open, it will be Current limited to a value that results from the ratio of the to the full Prevention of the electron flow required bias (e.g. 1 kV) and the Size of the resistor 14 results and that in the example chosen is a little less is than 100 pA; this results in a voltage drop across resistor 14 of something less than 1 kV. If a quick shutdown or lowering of the Dose rate is required, the switch 15 is closed and thus the resistor 14 short. The auxiliary cathode 12 then carries ground potential, and that from it emitted electron current in the order of 10 A flows to the anode 2 and thus discharges the cable and generator capacity 13 in the shortest possible time.

Obwohl die Röntgenröhre 1 in der Zeichnung der Einfachheit halber als Festanodenröhre dargestellt ist, ist die Erfindung insbesondere auch bei Drehanoden-Röntgenröhren anwendbar. Die Hilfskathode muß dabei gegenüber dem zur Röntgenbilderzeugung benutzten Kathodensystem um 1800 -von der Drehachse der Anodenscheibe aus gesehen - versetzt sein. Die Erfindung bringt insbesondere bei Impulsserienbetrieb mit hoher Impulsfrequenz sowie bei einer schnellen Hochspannungsregelung Vorteile.Although the X-ray tube 1 in the drawing for the sake of simplicity is shown as a fixed anode tube, the invention is particularly applicable to rotating anode x-ray tubes applicable. The auxiliary cathode must be used for the X-ray image generation Cathode system around 1800 - viewed from the axis of rotation of the anode disk - offset be. The invention is particularly useful in pulse series operation with a high pulse frequency as well as advantages with fast high voltage regulation.

Claims (2)

PATENTANSPRÜCHE 1. Röntgenröhre mit einer positive Hochspannung führenden Anode (2) und eine negativen Hochspannung führenden Kathode (3) sowie mit einer Hilfskathode (12), die von einem Kathodenbecher (11) umschlossen wird, und mit einer umschaltbaren Spannungsquelle, die die Spannung zwischen der Hilfskathode und dem Kathodenbecher bestimmt, so daß in einem ersten Betriebszustand der Emissionsstrom der Hilfskathode zur Anode im wesentlichen unterdrückt ist und in einem zweiten Betriebszustand die aus der Hilfskathode emittierten Elektronen auf einer vom Brennfleck entfernten Stelle auf die Anode treffen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des Röhrenkolbens (4) aus Metall besteht und geerdet ist, daß der Kathodenbecher (11) einen Teil des geerdeten Metallkolbens bildet oder mit diesem elektrisch leitend verbunden ist, und daß die Spannungsquelle so ausgelegt ist, daß im ersten Betriebszustand die Hilfskathode (12) ein gegenüber Erde positives Potential führt und im zweiten Betriebszustand annähernd Erdpotential.PATENT CLAIMS 1. X-ray tube carrying a positive high voltage Anode (2) and a negative high voltage leading cathode (3) and with a Auxiliary cathode (12), which is enclosed by a cathode can (11), and with a switchable voltage source that controls the voltage between the auxiliary cathode and the Cathode cup determined so that in a first operating state the emission current the auxiliary cathode to the anode is essentially suppressed and in a second Operating state the electrons emitted from the auxiliary cathode on one of the focal spot remote point hit the anode, characterized in that at least a part of the tubular piston (4) consists of metal and is earthed that the cathode cup (11) forms part of the grounded metal piston or is electrically conductive with it is connected, and that the voltage source is designed so that in the first operating state the auxiliary cathode (12) has a positive potential with respect to earth and in the second Operating condition approximately earth potential. 2. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode über einen hochohmigen Widerstand (14) geerdet ist und daß dem Widerstand (14) ein Schalter (15) parallelgeschaltet ist.2. X-ray tube according to claim 1, characterized in that the cathode is grounded via a high-resistance resistor (14) and that the resistor (14) is a Switch (15) is connected in parallel.
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