JP2007514531A

JP2007514531A - レーザビームを用いた表面清浄化方法および装置

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Publication number: JP2007514531A
Application number: JP2006544531A
Authority: JP
Inventors: イヴスロー、ピエール; ノイ、ミシェル; ヴレルス、ジャン・マルク
Original assignee: コミサリアアレナジーアトミク
Priority date: 2003-12-19
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2007-06-07
Also published as: FR2863916B1; EP1699572A1; FR2863916A1; WO2005058514A1; US20120053387A1

Abstract

本発明は、第１の清浄化領域（２０６）内にある表面（２１８）のレーザアブレーションの方法に関し、前記アブレーションは、キャビティ（２０４）に電磁放射を供給するための励起手段（２０２）に関連付けられたキャビティ（２０４）によって放射されるレーザビーム（２１６）を使用する。本発明の方法は、キャビティ（２０４）が、電磁放射を伝送する光ファイバ（２１０）によって励起手段（２０２）と関連付けられ、励起手段（２０２）が上述の清浄化領域（２０６）の外側に維持されるようになることを特徴とする。本発明によれば、前記ファイバ内で励起放射の波長はわずかに減衰され、ファイバは１０ｍより長い。

Description

本発明は、レーザビームを用いて表面を清浄化するための方法および装置に関し、特にその表面が汚染領域内に位置する場合の方法および装置に関する。

表面１００上にある粒子を蒸発または昇華させて清浄化するために、レーザビーム１０４（図１ａ）、一般的にはパルスレーザビームが用いられる。このような方法は、レーザアブレーションと呼ばれ、構造の修復または表面の除染などの様々な用途に使用されている。

レーザアブレーションは、例えば放射性など汚染された領域１０６内に位置する壁面をビームを用いて処理するとき、レーザビーム１０４の発生器１０２が汚染されるという欠点がある。

このような発生器１０２の汚染は、発生器１０２を順に除染するか、または除染できない場合は交換もしなければならないため、表面１００の処理には高いコストが伴う。

さらに励起要素１１２すなわちレーザビームを発生させるためのエネルギーを供給する要素、および発生器１０２を冷却するための要素も汚染され、それにより表面１００を処理するコストがさらに増す。

さらに例えばパイプの内側であるなど、処理される表面が小さいまたはアクセスが困難な領域１０６内に位置する場合は、レーザ発生器１０２、ならびに励起、および冷却要素１１２を含むレーザ装置が大きな空間を占めるので、この表面１００へのレーザビームの印加が複雑になり得る。

図１ｂによって示されるレーザアブレーションの第２の方法によれば、レーザ発生器１０２、ならびにその励起および冷却装置１１２は汚染領域１０６の外側に位置し、光ファイバ１０５が、発生器１０２から放射されるレーザビームを処理すべき表面まで伝送する。

このような方法は、電磁放射の伝送、特にエネルギーおよび出力の輸送のための光ファイバの能力限界に関する欠点を有する。

実際、現今のファイバのエネルギー伝送能力は、平均出力値が２００〜３００ワットの場合、５０ミリジュール程度であり、一方、費用効果を良くするためにアブレーション方法では、これらの能力を超えた出力レベル、特に５００ワットを超える出力が必要になり得る。言うまでもなくこのような出力値は、横方向励起、すなわちレーザビームが通過する面ではなくて側壁からレーザ材料を貫通する励起を必要とする。

具体的な１つのケースでは、例えばフラマトムを代表して出願された欧州特許第０４７５８０６号、または欧州特許第０５０７６４１号に記載されているように、清浄化レーザビーム１０４は、汚染領域に位置する増幅器１０３を介して、光ファイバ１０５を通して伝送され、レーザビームは処理される表面１００に印加される前に増幅される。

この具体的なケースでは様々な欠点が生じる。増幅器１０３、ならびにその励起および冷却要素１０３’の汚染を生じることがあり、それにより表面１００の処理コストが増す。

増幅器を使用することによってコストも増大し、さらに方法が複雑になる。

最後に、増幅器１０３の取り扱いの融通性は、その重量およびスペース要件、ならびにその励起および冷却要素１０３’の重量およびスペース要件によって制限される。

したがって、このような方法によって、寸法が小さいまたはアクセスが困難な領域内に位置する表面を処理することは実現が困難である。

最後に、光ファイバを通したアブレーションレーザ光線の伝送を利用する方法は、放射の波長の選択に課された制限により生じる欠点があることが強調されなければならない。以下に詳述するようにファイバは、ある波長で伝播する放射を大きく減衰させるからである。

図１ｃによって示される第３の方法は、非汚染領域１０８から放射されるレーザビーム１０４を処理する壁面１００に向けるために、汚染領域１００内に位置するミラー１０７を用いる。実際この場合は、壁面の処理中にはミラー１０７、およびミラーを制御するロボットアーム１０７’だけが汚染される。

しかしミラーを用いるこの種の方法は、様々な欠点を有する。すなわちレーザビーム１０４の通過を可能にするために、汚染領域１０６と非汚染領域１０８の間に位置するポートホール１１８が必要である。

さらにこの方法は、制御が複雑なミラーを有するかさばった装置が必要になり、処理する表面および／または処理する施設に特有の設置を必要とする。

さらに固体増幅器媒質を有するレーザ、特にＮｄ：ＹＡＧレーザは、放電ランプによる励起システムと組み合わせてレーザアブレーション方法で最も頻繁に用いらるレーザであり、放電ランプは、レーザダイオードを用いた励起システムに置き換えられる傾向があることが留意されなければならない。

確かに、このタイプのレーザは、より効率がよく、より小型であり、必要な保守、冷却、およびエネルギーがより少ないが、レーザダイオードは高価な構成要素である。

さらに、一般に励起要素は、励起要素が関連するレーザ発生器よりも大きな冷却能力を必要とし、したがって励起要素の冷却回路は、発生器の冷却回路よりもかさばったものになる。

実際、一般に励起要素のコストは、励起要素が関連するレーザ装置の５０％を超える。電源回路、および冷却要素も考慮すると、これら励起要素、電源要素、および冷却要素は、レーザ装置のコストの９０％になり得る。

さらに発明の第２の態様は、仏国特許第９３００７２３号、または D. Bauerle、「Laser processing and Chemistry」、第３版、Springer Verlag、Berlin、2000年、515〜516頁に記載されているように、紫外線（ＵＶ）領域に位置する波長を有するビーム（以下ＵＶビームと呼ぶ）を用いたレーザの使用は、レーザアブレーションを行うのに特に有用となり得るという事実によるものである。

後者の文書には、表面がレーザアブレーションを受けるとき、表面近くの液滴の急速な沸騰によって清浄化の効果が改善されるように、紫外線領域に含まれる波長の放射を吸収する液体を用いることにより、表面の除染が改善される方法が記載されている。

しかし、図１ｂによって示されものなどの光ファイバベースのレーザ装置は、ＵＶレーザ用に構成することはできない。光ファイバがＵＶレーザビームを伝送する効率は非常に低く、一般にこのビームは１ｍ進むごとに伝送出力の約７〜１０％の損失を受けるからである。

「Surface Oxide removal by a XeCl laser for decontamination」Quantum Elec.、30 (6)、2000年、495〜500頁に述べられているように、いくつかの場合には、これらの損失は１ｍ進むごとに伝送された出力の２０％までになり得る。

したがって、ＵＶレーザビームキャビティを、汚染領域に導入する必要があり、図１ａを参照して述べたように、この発生器は汚染され、それによって除染のコストが増大する。

さらに、壁面を除染するのに、紫外線レーザビームを用いると、特に原子力施設において、大きな欠点となる。

実際、一般にＵＶレーザはエキシマレーザ、すなわち、場合によってはフッ素や塩素などの有毒ガスの混合物を用いるレーザであり、ガスの混合物は短く強い放電により励起され、その放電が特に原子力発電所の警報装置を作動させる電磁放射を発することがある。

本発明は、上述の欠点の少なくとも１つを克服するために、ダイオード励起型固体レーザの使用を提案する。すなわち下記に関する前述の欠点の少なくとも１つを克服するために、これを用いることができる。

レーザ装置の過大なスペース要件
レーザ光線に対する光ファイバのエネルギー搬送能力によって課される制限
電磁放射検出システムに対して、レーザ光線発生器が、起動させ得る電磁的外乱
ダイオード励起システムの高いコスト
起こり得る、光ファイバにより伝送される放射の減衰
このような妨害に敏感な媒質中の電磁的外乱
危険な媒質中の有毒化合物の使用
レーザキャビティの汚染

このことが、本発明が清浄化領域内にある表面のレーザアブレーションの方法に関することの理由である。すなわち、このアブレーションは、キャビティに電磁放射を供給する励起手段に関連付けられたキャビティによって放射されるレーザビームを用い、キャビティは電磁放射を伝送する光ファイバを通じて励起手段と関連付けられ、これらの励起手段が清浄化領域の外側に保持されるようになり、励起放射が１０ｍより長いファイバ内でわずかに減衰される波長を有することを特徴とする。

したがって、本発明による方法は、レーザビームを方向付けるためには、キャビティから離れた励起手段および冷却要素を考慮に入れる必要がないので、取り扱いの融通性が高いレーザ光線発生器により、表面を処理することが可能となる。

さらに本発明による方法では、レーザビームに供給する励起手段は清浄化領域の外に保持されるので、除染のコストは制限され、したがって様々なレーザキャビティを用いて、それらの再利用が可能になる。

最後に、ビームはファイバによって伝送されず、したがって減衰を受けないので、本発明は、高エネルギーのレーザビームを得るために用いることができることに留意することが重要である。

さらに、より長い波長のレーザビームからＵＶレーザビームを発生させるために、本発明の変形形態を用いることができる。

すなわち本発明の一実施形態では、紫外線領域に位置する波長を有するレーザビームを用いた、アブレーションによる表面の除染方法が考えられている。このような趣旨で、本発明は、波長が紫外線領域（通常４００ｎｍ以下）中に含まれるように、レーザビームの波長を小さくするために少なくとも１つの非線形結晶を使用する。

すなわち本発明において、ＵＶレーザビームは、異なる波長を有するレーザビームから発生される。ここで、本発明のこの実施形態は、ファイバにより十分に伝送させることができない任意の波長を有するレーザビームの発生にも及ぶことができることに留意されなければならない。

結晶を用いたレーザビームの波長変換の効率が低いにも関わらず、清浄化領域に位置する表面の処理において、非線形結晶の使用が有利であることが強調されることが重要である。

一実施形態では、清浄化領域が汚染領域と見なされるような、有毒元素、例えば放射性元素に、清浄化が適用される。
一実施形態によれば、アブレーションレーザビームは、パルス式で放射される。
一実施形態では、電磁励起放射は、光ファイバによって連続して供給される。
一実施形態によれば、複数のファイバが励起エネルギーを伝送するために使用され、この励起エネルギーは、キャビティ中に位置するレーザ媒質の軸に対して横方向に放散される。
一実施形態では、励起エネルギーは、ファイバ接続されたダイオードによって伝送される。
一実施形態によれば、清浄化される表面は、放射性である。
一実施形態では、キャビティによって発生されるレーザビームの波長は、少なくとも１つの非線形結晶によって修正され、その結果この波長がＵＶ領域に含まれるようになる。
一実施形態によれば、修正された波長は４００ｎｍ未満である。
一実施形態では、昇華される表面上に、液体の層または液滴が被着される。
一実施形態によれば、レーザによって放出される平均出力は、２００Ｗよりも大きい。

本発明はまた、キャビティに電磁放射を供給する励起手段に関連付けられたキャビティによって放射されるレーザビームを用い、清浄化領域内に位置する表面のレーザアブレーション用の装置であって、上記の項の１つに記載の１つの方法により励起手段の電磁放射をキャビティへ伝送させる光ファイバを含むことを特徴とする装置に関する。

本発明はまた、本発明によるデバイスを含む、表面のレーザアブレーション用のロボットシステムであって、清浄化すべき表面の走査を行うことができるヒンジ付きアームを含むことを特徴とするロボットシステムに関する。

一実施形態では、ヒンジ付きアームは、放射線雰囲気の存在下で動作可能なロボットである。

本発明の他の特徴および利点は、網羅的でない説明図として添付の図面を参照し、以下の説明から明らかになるであろう。

図２は、本発明によるレーザアブレーション装置２００、すなわちレーザビームを発生する励起装置２０２が、ファイバ２１０によってこの装置に関連付けられた装置を示す。

さらにこの実施形態では、処理すべき表面は有毒元素すなわち人の健康に有害な元素によって汚染されていると見なされ、したがってその領域のアブレーションは、その中の環境も有毒である汚染領域と、汚染領域から隔離された非汚染領域とが生じる。

励起デバイス２０２は、発生器２０４が位置する汚染され、閉じ込められた領域２０６から保護された非汚染領域２０８内に位置する。したがって、レーザキャビティ２０４だけが汚染領域２０６内で汚染されるリスクがあるが、非汚染領域２０８内では励起装置の様々な要素、特にその電源手段および冷却手段は、汚染から保護される。

さらに汚染領域２０６内では、アブレーション装置２１４全体としてはレーザキャビティ２０４に加えて、キャスタ２２０のようなキャビティをシフトさせて、放射されるレーザビーム２１６が所与の入射角をもつようにする要素が含まれる。

好ましくは、この入射角は一定で、処理される表面２１８に対して垂直になるように選ぶことが有利である。実際このような垂直入射は、大部分のアブレーション方法に対して、より高い効率をもたらす。

装置２１４は、処理される表面上に微細な水滴または水の膜が存在するようにするために、水噴霧手段２２２を関連させることもでき、それによって前述のようにレーザビームの波長がＵＶ領域に含まれる場合、除染性能が改善される。

実際レーザキャビティ２０４は、放射されるレーザビーム２１６の波長を変換する非線形結晶２２４を使用して、波長がＵＶ領域に位置するレーザビームを放射することができる。

言い換えればレーザキャビティ２０４は、波長が赤外領域に含まれる、または赤外領域を越えたレーザビーム２１６を発生し、この波長は、処理すべき表面に到達する前に１つまたは複数の非線形結晶２２４によって修正される。

レーザビームの波長を２で除したものにすることを可能にする、周波数２倍化非線形結晶を用いることもできる。この波長を３または４で除するために、複数の非線形結晶を用いることが可能である。

すなわち波長λが１．０６４μｍのレーザビームを放射するＮｄ：ＹＡＧレーザを考えると、使用する１つまたは複数の結晶の特性に応じて、波長が５３２ｎｍ（可視）、３５５ｎｍ（近紫外）、または２６６ｎｍ（ＵＶ）に等しいレーザビームを得ることが可能である。

レーザビームの大きさは考慮される応用例によって変わり、通常１ｍｍ〜数ｍｍ程度である。

処理されるべきそれぞれの面素が受ける照射量を一様にするように設計された一変形形態では、準円形の断面のレーザビームを受け取り、それを正方形断面の一様なビームに変換するホモジナイザが使用される。そのような装置は、当業者には知られている。

一般に前記の変形形態と組み合わせて使用される第２の変形形態によれば、一方がレーザキャビティの出力端または必要ならビーム整形もしくは均一化用の任意の装置の出力端のいずれかと、他方が処理すべき表面との間で、レーザビーム上に配置されたガルバノメータ型偏向ヘッドを使用する。この種のガルバノメータ型装置は、それ自体は当業者にも知られており、特にそれぞれガルバノメータ上、およびガルバノメータ制御用の装置上に取り付けられた２つのミラーを含む。

この種のガルバノメータヘッドは、例えば一辺が５〜１０ｃｍ程度の正方形表面をレーザビームにスキャンさせるために用いられる。

本発明の原子力産業への応用例では、昇華された粒子は非汚染領域２０８から制御される吸引装置２２６によって回収されることが好ましい。この装置は、タービン２２８および除染廃棄物を蓄える容器２３０を含む。

通常、原子力産業において実施される本発明の一変形形態によれば、酸化反応などの化学反応を防止するために、アブレーション処理される表面の近傍に中性ガスが拡散される。

本発明の一変形形態では、酸化反応などの化学反応を促進するために、アブレーション処理される表面の近傍に酸化ガスが拡散される。

図２に対応する本発明の実施形態によれば、レーザキャビティ２０４は、キャビティの背面ミラー２３４と、半反射ミラー２３６との間に位置するＮｄ：ＹＡＧロッドを含む。このロッドは冷却回路２８によって囲まれ、その供給源２４０は汚染領域２０６の外側に位置する。

電源（図示せず）は非汚染領域２０８内に置かれ、レーザダイオードと共に励起装置２０２中に位置するレーザダイオード用の制御回路、冷却水供給源２４０およびその電源、廃棄物吸引タービン２２８および除染廃棄物を蓄える容器２３０、および場合によっては水噴霧システム２２２などのシステムの様々な構成要素に電力を供給する。

本発明によればレーザダイオードは、光ファイバ２１５の束２１０によってレーザキャビティ２０４に励起エネルギーを供給し、図３ａおよび図３ｂにより以下でさらに説明するように、これらの光ファイバを使用すると、この励起を最適化することが可能になる。

本発明の好ましい実施形態によれば、レーザダイオードは出力が数キロワットの連続した励起を供給し、レーザキャビティはピーク出力が４００ＫＷ程度であり１ＭＷに達することが可能なパルス放射を発生する。

したがって励起放射をコアが８００μｍのシリカファイバ内でわずかに減衰される８０８ｎｍの波長で伝送することができるので、光ファイバによって伝送されるビームの減衰は、わずかであることに留意する必要がある。

ここでファイバの長さ全体にわたって減衰が２５％未満の場合は、減衰はわずか、または小さいと見なされることが強調されなければならない。この長さは数ｍ、さらには数十ｍになる。

図３ａは、円筒形表面３０２の内側でこの表面の対象軸に沿って配置されたレーザロッド、場合により励起装置２０２中に励起ダイオードと共に配置される活性化システム（図示せず）、キャビティ背面ミラー３０２ａ、半反射ミラー３０２ｂ、ファイバ接続されたレーザダイオードから来るファイバの先端に配置されたコネクタ３０６、および注入管３０８によって概略的に表されている冷却回路を含むレーザキャビティ３００を示している。

この冷却回路は、熱移動を促進させるために近接してレーザロッド３０２を囲み、かつ励起ダイオードから来るファイバの先端３０６は、励起エネルギーの分布を改善するために、このレーザロッド３０２の周り全般に横方向に分配されることに留意されなければならない。

こうするためにこれらのファイバ３１０の寸法を小さくすると、これらファイバの寸法が小さい結果、このロッド３０２の単位面積当りの光束パワーの点から、励起光の流入を密にすることが可能になる。

換言すれば、多数のファイバをロッドの周りに配置することができる。

ファイバおよびダイオードから送られるビームの波長は、ロッドの特性に応じて選択される。ただしいくつかの可能性の中から選択されるのは、ファイバの減衰が小さいものである。Ｎｄ：ＹＡＧロッドを用いるこの実施形態では、パワー供給ビームの波長は約８０８ｎｍである。

本発明の一変形形態では、レーザの作用により昇華された粒子を引き寄せ、捕捉するために、主要な電界を生成する電極が用いられる。次いでこの粒子は、吸引の場合のように容器に蓄えられる。

ファイバによって伝送される放射の減衰が小さいので、本発明により長さが１０ｍを超え得るファイバを備えた装置の使用が可能になることが指摘されなければならない。それによって原子力発電所などの大規模設備でのアブレーションシステムの使用が可能になる。

本発明の好ましい実施態様では、清浄化すべき表面全体にわたってスキャンすることが可能であり、レーザキャビティの移動が確保されるヒンジ付きアームが設けられる。このヒンジ付きアームは、考慮されている環境内で操作可能なロボットとすることもできる。

本発明の変形形態によっては、このヒンジ付きアームはまたアブレーション残留物を吸引する手段、アブレーションガスを処理される表面の近傍に閉じ込める手段、例えばキャスタなどにより処理される表面に沿ってこれらの閉じ込め手段をシフトさせる手段、および／またはアブレーション残留物を運ぶためのガスを注入する手段も支承するように計画することができる。

本発明の好ましい実施形態では、清浄化装置は原子力産業に特有のホットセルの表面の除染に利用される。このケースでは清浄化装置は、高度に放射性の環境で清浄化すべき表面のスキャンを行うことができるロボットシステムの先端に固定される。

次いでロボットアームは、例えばレゾルバや線形可変差動変成器（ＬＶＤＴ）などのコイル式技術におけるセンサまたは、やはり光学エンコーダを用いることによって放射線雰囲気中で動作できなければならず、すべてのアクティブ構成要素は非放射性領域へ移される。指標としてはＲＸ１７０Ｌ型ストーブリロボットは、この種の用途に適切である。その角度位置センサはレゾルバであり、より具体的には絶対エンコーディングを得るために速度０のレゾルバと速度ｎのレゾルバとの組合せとなっている。これらは１０^４ｒａｄに対応し、必要なら同じレゾルバを補強バージョンにすることもできる。これは起こり得るオイル漏れを防止するために電気的に駆動される。

一辺が２ｍｍの正方形レーザビーム、およびスキャン動作するガルバノメータ型ヘッドを用いて、一辺が１０ｃｍの正方形表面を、処理すべき表面の各点で必要な照射量に応じて数十秒から数分でスキャンすることができる。

ＲＸ１７０Ｌ型ストーブリロボットの行動半径により、すべての高さにおいて処理すべき表面に対してレーザビームを直交させることができない。約２ｍを超えるとレーザヘッドをこの表面に対して次第に傾け、入射角が垂直から外れるにつれて処理すべき各点でビームを保つ時間を長くし、それによって実効的に受ける照射量が同じになるようにしなければならない。

前述の、レーザアブレーションによる表面除染の知られた方法を示す図である。前述の、レーザアブレーションによる表面除染の知られた方法を示す図である。前述の、レーザアブレーションによる表面除染の知られた方法を示す図である。本発明によるアブレーション装置を示す図である。本発明による横方向励起手段のレーザ発生器の周りの有利な配置を示す図である。本発明による横方向励起手段のレーザ発生器の周りの有利な配置を示す図である。

Claims

キャビティ（２０４）に電磁放射を供給する励起手段（２０２）に関連付けられた前記キャビティ（２０４）によって放射されるレーザビーム（２１６）を用いる、清浄化領域（２０６）内にある放射性表面（２１８）のレーザアブレーションの方法であって、前記キャビティ（２０４）は前記電磁放射を伝送する光ファイバ（２１０）を通じて前記励起手段（２０２）と関連付けられ、これらの励起手段（２０２）が前記清浄化領域（２０６）の外側に保持されるようになり、励起放射が１０ｍより長いファイバ内でわずかに減衰される波長を有することを特徴とする方法。
前記清浄化領域（２０６）が汚染領域と見なされるような、例えば放射性元素などの有毒元素に対して清浄化が適用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記アブレーションレーザビーム（２１６）が、パルス式で放射されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
前記電磁励起放射が、前記光ファイバ（２１０）によって連続して供給されることを特徴とする請求項１、２、３、または４に記載の方法。
複数のファイバが励起エネルギーを伝送するために用いられ、この励起エネルギーが前記キャビティ中に位置するレーザ媒質の軸に対して横方向に放散されることを特徴とする前記請求項の一項に記載の方法。
前記励起エネルギーが、ファイバ接続されたダイオードによって伝送されることを特徴とする前記請求項の一項に記載の方法。
前記キャビティによって発生される前記レーザビームの波長が、少なくとも１つの非線形結晶（２２４）によって修正され、その結果この波長がＵＶ領域に含まれるようになることを特徴とする前記請求項の一項に記載の方法。
前記修正された波長が、４００ｎｍ未満であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
昇華される表面上に、液体の層、または液滴が被着されることを特徴とする請求項９または１０の一項に記載の方法。
前記レーザによって放出される平均出力が、２００Ｗよりも大きいことを特徴とする前記請求項の一項に記載の方法。
キャビティに電磁放射を供給する励起手段に関連付けられた前記キャビティによって放射されるレーザビームを用いる、清浄化領域内に位置する表面のレーザアブレーション用の装置であって、前記請求項の一項に記載の方法の１つにより前記励起手段の前記電磁放射を前記キャビティに伝送する光ファイバを含むことを特徴とする装置。
請求項８に記載の装置を含む、表面のレーザアブレーション用のロボットシステムであって、清浄化すべき表面のスキャンを行うことができるヒンジ付きアームを含むことを特徴とするロボットシステム。
前記清浄化すべき表面が高度に放射性の環境にあり、前記ヒンジ付きアームが放射線雰囲気の存在下で動作できるロボットであることを特徴とする請求項１３に記載のロボットシステム。