JP3523303B2 - 超伝導磁石アセンブリ用の熱伝達アセンブリ - Google Patents

超伝導磁石アセンブリ用の熱伝達アセンブリ

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JP3523303B2
JP3523303B2 JP26849693A JP26849693A JP3523303B2 JP 3523303 B2 JP3523303 B2 JP 3523303B2 JP 26849693 A JP26849693 A JP 26849693A JP 26849693 A JP26849693 A JP 26849693A JP 3523303 B2 JP3523303 B2 JP 3523303B2
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ジョン・スカチュッロ,ジュニア
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    • G01R33/20Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、低温冷却装置と、磁気
共鳴撮像装置(以下、MRIと称する。)の超伝導磁石
との間のフレキシブル熱接続体に関する。
【0002】
【従来の技術】周知のように、液体ヘリウム又は他の冷
凍剤を含有しているクライオスタット(低温保持装置)
又は圧力容器内に磁石のコイルを封入する等のように、
磁石のコイルを非常に温度の低い環境内に配置すること
により、磁石のコイルを超伝導状態にすることができ
る。磁石のコイルの抵抗は、非常に低い温度によって無
視し得るレベルまで低減する。この結果、電源が最初に
コイルに(例えば、10分間)接続され、これによりコ
イルに電流が流れていた場合には、電源を除去した後で
も、無視し得るコイル抵抗によって電流がコイルに流れ
続け、こうして、磁場を維持することができる。超伝導
磁石は、例えばMRIの分野におけるような広い用途を
有する。
【0003】典型的なMRIにおいては、真空容器内に
設けられている圧力容器は、複数の同心状の熱シールド
によって取り囲まれている。真空容器の外側の周囲温度
から圧力容器を熱的に分離するために、連続した各熱シ
ールドは冷凍剤よりもわずかに高い温度にある。この真
空容器の外側の周囲温度は、冷凍剤の温度よりも約30
0゜Cのオーダで高い。熱シールドは低温冷却装置によ
って、その低い温度に維持されている。この低温冷却装
置は典型的には、ステンレススティールのコールドヘッ
ドスリーブ円筒体内に設けられており、コールドヘッド
と熱シールドとの間には熱接続がある。コールドヘッド
と熱シールドとの間の熱接続は、熱的に伝導的且つ効率
的でなければならず、低温冷却装置内のピストンの動作
及びその結果生じる熱シールドに対するコールドヘッド
の動作によって発生する振動が存在する状態で作用しな
ければならない。更に、熱接続は、周囲温度から絶対零
度(−270゜C)の範囲の温度まで、超伝導磁石を冷
却するときにアセンブリが受ける温度の広い変化に耐え
なければならないと共に、MRI内に存在する強い磁
場、及び磁場の均一性の要件に耐え、これらに影響を及
ぼしてはならない。更に、熱接続は又、冷却中の材料の
差動的な膨張から発生する熱的及び機械的な力に耐えな
ければならない。
【0004】フラットな編組ケーブルのようなフレキシ
ブル接続体は、これらが重なり合う必要条件及び/又は
相いれない必要条件のすべてを満たすことにおいて、完
全に満足すべきものであることがわかっていない。従っ
て、MRIシステムの磁場の均一性及びその結果の画質
に対する低温冷却装置の作動機構の影響を最小にするた
めに、熱シールドに対する動作及び振動の伝達を最小に
するような厳しい環境で動作する超伝導MRI磁石の磁
気カートリッジ及び/又は熱シールドと低温冷却装置と
の間のフレキシブルな熱接続を行うことができることが
非常に要望されている。
【0005】
【発明の目的】本発明の目的は、MRI内の低温冷却装
置を超伝導磁石に熱的に相互接続する改良された装置を
提供することにある。本発明の他の目的は、MRI内の
低温冷却装置を超伝導磁石に熱的に相互接続すると共
に、その相互接続がフレキシブルであり、超伝導磁石又
は熱シールドに対する動作及び振動の伝達を最小にする
改良された装置を提供することにある。
【0006】本発明の更に他の目的は、冷却中及びMR
Iの動作中に遭遇する熱的、機械的及び磁気的な力を含
む力及び環境に耐えることができ、MRI内の低温冷却
装置を超伝導磁石に熱的に相互接続する改良された装置
を提供することにある。
【0007】
【発明の概要】本発明の一形態によれば、低温冷却装置
が低温冷却装置のコールドヘッドスリーブ内に配置され
ており、複数のフレキシブル熱接続体がMRIの熱シー
ルドとコールドヘッドスリーブとの間を延在している。
フレキシブル熱接続体は、円形断面の同芯撚線ケーブル
に編まれた複数の銅ワイヤを含んでいる。銅ブロックが
熱シールドにおいて熱的インタフェイスを形成してお
り、同芯撚線ケーブルは1500本以上の個々の銅ワイ
ヤを含んでいる。
【0008】ステンレススティールの冷却装置コールド
ヘッドスリーブは、断面が円筒形であると共に、多重ス
テージ冷却装置を取り囲んでおり、多重ステージ冷却装
置は、各冷却装置ステージに隣接したコールドヘッドス
リーブの別々の軸方向領域を有している。多数の熱ロー
プが各ステージと、隣接する熱シールドとの間に延在し
ている。銅接触ストリップ(細片)がロープをコールド
ヘッドに熱的に接続するように、コールドヘッドスリー
ブに沿って軸方向に延在している。
【0009】
【実施例】図1及び図2を参照すると、ステンレスステ
ィールの冷却装置コールドヘッド10は、断面が実質的
に円形であり、軸6の周りに延在している全体的に参照
番号1で示された第1のステージ領域と、全体的に参照
番号2で示されている第2のステージ領域とを含んでい
る。2ステージ・ギフォード−マクマホン(Gifford-Mc
Mahon )冷却装置モデルLGYBOLD RGD−58
0のような低温冷却装置4は、隣接している第1のステ
ージ領域1の低温冷却装置の第1のステージによって低
温冷却すると共に、冷却装置コールドヘッドスリーブの
隣接する第2のステージ領域2の低温冷却装置の第2の
ステージによって低温冷却するように、ステンレスステ
ィールの冷却装置コールドヘッドスリーブ10内に配置
されている。低温冷却装置4は通常、移動ピストンを含
んでおり、この移動ピストンは、本技術分野で周知であ
る通常の冷却サイクルにおいて冷却装置内の冷却材を定
期的に圧縮するように、冷却装置コールドヘッドスリー
ブ10の軸6に沿って軸方向に移動する。冷却装置コー
ルドヘッドスリーブ10の第1のステージ領域1は、コ
ールドヘッドスリーブの第2のステージ領域2よりも大
きな直径を有しており、このため、低温冷却装置4によ
って発生する温度は、第1のステージ領域に対して80
度ケルビン(80K)のオーダであり、第2のステージ
領域に対して20度ケルビン(20K)のオーダであ
る。
【0010】半月形銅ヒートステーション12は、冷却
装置コールドヘッドスリーブ10の第1のステージ領域
1と密接状態にある冷却装置コールドヘッドスリーブ1
0の外側表面に合致している。ヒートステーションはろ
う付け等によって、冷却装置コールドヘッドスリーブの
第1のステージ領域1に適当に締め付けられている。一
対の銅接触ストリップ13は、参照番号15及び16の
ような複数の開口部を含んでおり、これらの開口部内に
参照番号17及び18のようなフレキシブル熱接続体、
即ちロープが挿入され溶接されている。参照番号17及
び18のようなロープは、ニューハンプシャ州リスボン
(Lisbon)のニュー・イングランド・エレクトリック・
ワイヤ社(New England Electric Wire Corporation )
によって、部品番号NER773436Bとして製造さ
れている特製のフレキシブル同芯撚線銅ケーブル又はロ
ープであって、公称直径0.299インチ(米国ワイヤ
ゲージ(AWG)サイズ4)の円形ロープに編まれた米
国ワイヤゲージ(AWG)サイズ36の銅ワイヤを16
66本利用している。その構造は、7×7×34/36
として記載される。即ち、同芯撚線ケーブル又はロープ
に編まれた7本の撚線があり、各撚線は、各々34本の
7群のワイヤで形成されている撚線から編まれた238
本の銅ワイヤを含んでいる。この結果、7本の撚線は、
各々238本のワイヤを含んでおり、全体で1666本
の銅ワイヤを含んでいる。7×7×34/36の構造に
使用されている用語「36」は、個々の銅ワイヤのAW
Gサイズを示している。参照番号17及び18のような
ロープは、第1のステージ領域1上に位置決めされてい
る銅接触ストリップ13と、参照番号25のような複数
のボルトによって超伝導磁石の80Kの熱シールド20
に固定されている銅インタフェイスバー23との間に延
在している。フレキシブルロープ17及び18は、銅接
触ストリップ13の参照番号15及び16のような開口
部又は孔内、並びに銅インタフェイスバー23の同様な
開口部26及び27内に位置決めされ、その後、これら
のロープは、関連する接触ストリップ13及びインタフ
ェイスバー23の所定の位置に溶接される。孔15は孔
16よりもインタフェイスバー23に接近して接触スト
リップ13上に位置決めされており、このため、交互に
設けられたロープ17及び18は異なる長さになってい
る。
【0011】フレキシブル熱伝達アセンブリ30は、銅
接触ストリップ13と銅インタフェイスバス23との間
に延在している参照番号17及び18のような複数のフ
レキシブルロープを含んでいる。銅インタフェイスバー
23は、第1のステージ領域1の銅ヒートステーション
12と80Kの熱シールド20との間にその後位置決め
されるサブアセンブリとして製造され得る。銅接触スト
リップ13は、溶接のような適当な方法で半月形状の銅
ヒートステーション12に固定されており、銅インタフ
ェイスバス23は、据え付け時にボルト25によって熱
シールド20に固定されている。
【0012】冷却装置コールドヘッドスリーブ10の第
2のステージ領域2は、コールドヘッドスリーブ10の
第2のステージ領域2を取り囲んでいるヒートシンク3
5と複数の銅インタフェイスバー37、38及び39と
の間に延在している複数のフレキシブルロープ33及び
34を含んでいる。フレキシブル熱伝達アセンブリ30
におけるように長さが交互に異なっている参照番号33
及び34のような編組ロープは、軸6から半径方向外側
に延在しており、これに対して、複数の他のフレキシブ
ルロープ41及び42(数は4本)は、冷却装置コール
ドヘッドスリーブ10の第2のステージ領域2の閉端部
43から軸方向外側に延在していると共に、閉端部43
において銅インタフェイス44によって第2のステージ
領域2に固定されていることに注意されたい。フレキシ
ブルロープ33、34、41及び42は、第1のステー
ジ領域1のロープ17及び18について上述したよう
に、それぞれのインタフェイスバー37、38及び39
の孔、並びにインタフェイス44、45及び46の孔に
それぞれ溶接されている。
【0013】参照番号17、18、33、34、41及
び42のようなフレキシブル熱接続ロープは、MRIの
低温磁石間の熱シールド20及び21のような冷却領域
への適当な熱伝達を可能にすると共に、冷却装置コール
ドヘッドスリーブ10内の低温冷却装置4による振動を
十分に低減して、この振動が超伝導磁石コイルアセンブ
リ(図示せず)を取り囲んでいる超伝導磁石の熱シール
ド20及び21に伝達されないようにしている。これ
は、熱シールド20及び21を安定化させることにな
る。なぜならば、熱シールドが振動すると、MRIの強
力な磁場の均一性及び画質に悪影響を及ぼすからであ
る。更に、フレキシブルロープ17、18、33、3
4、41及び42は、それらのフレキシビリティ(柔軟
性)及び長さのために、差動的熱収縮を考慮に入れてい
る。本発明の銅編組ロープの線形剛性は、1インチ当た
り約25ポンドであり、低温冷却装置4によって発生す
ると共に熱シールド20及び21に伝達される動き及び
振動は、フラットな編組銅ケーブルを含んでいる他の測
定されたフレキシブル接続体から生じる動き及び振動の
1/12のオーダであったことを示していることがわか
った。本発明の主な利点は、MRIシステムの画質にお
けるその結果の改良である。1.5テスラの活性シール
ド磁石装置を利用したMRIシステムにおいて、本発明
は画質を7倍に改良した。実質的な画質の改良は又、
0.5テスラの範囲においてMRIによって示された。
【0014】冷却装置コールドヘッドスリーブ10の第
1のステージ領域1に関連するフレキシブル熱伝達アセ
ンブリ30には、13本の比較的短い長さのロープ17
と、12本の比較的長い長さのロープ18とがあること
に注意されたい。第2のステージ領域2は、半径方向に
延在している交互に配設された対の短いロープ33及び
長いロープ34と、第2のステージの軸方向に延在して
いる交互に配設された2対の短いロープ41及び長いロ
ープ42とを利用している。典型的な据え付けにおいて
は、ロープ17の長さは4.00インチのオーダ、ロー
プ18の長さは4.50インチ、ロープ33の長さは
2.75インチ、ロープ34の長さは3.00インチ、
ロープ41の長さは2.75インチ、及びロープ42の
長さは3.00インチである。編組ロープ17及び1
8、33及び34、並びに41及び42が接触ストリッ
プとインタフェイスバー13及び23、45及び37、
46及び38、並びに44及び39との間の所定位置に
それぞれ溶接された後、孔と孔との間の距離は7.25
インチのオーダであり、半径は、編組ロープ17及び1
8の場合に1.00インチのオーダ、編組ロープ33及
び34の場合に0.63インチのオーダ、並びに編組ロ
ープ41及び42の場合に0.63インチのオーダであ
る。
【0015】本発明は、MRI装置の超伝導磁石に使用
するために必要な所望の熱的、磁気的及び機械的な特性
を有するフレキシブル熱伝達アセンブリを提供すること
を証明した。本発明はその好適な実施例について記述し
たが、本発明の要旨及び範囲から逸脱することなく、部
品の構造、構成及び組み合わせの詳細、並びに使用した
材料の種類の詳細において種々の変更を行うことができ
るものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を示す平面図である。
【図2】図1の正面図である。
【符号の説明】
1 第1のステージ領域 2 第2のステージ領域 4 低温冷却装置 10 コールドヘッドスリーブ 13 接触ストリップ 17、18 フレキシブル熱接続体(ロープ) 20 熱シールド 23 インタフェイスバー 30 フレキシブル熱伝達アセンブリ 33、34、41、42 フレキシブルロープ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スティーブン・ドナルド・シュヌラー アメリカ合衆国、サウス・カロライナ 州、フロレンス、サウス・ギルドフォー ド・サークル、312番 (72)発明者 ジョン・スカチュッロ,ジュニア アメリカ合衆国、サウス・カロライナ 州、フロレンス、ストラットン・ドライ ブ、833番 (72)発明者 ケマコラム・エム・オバシー アメリカ合衆国、サウス・カロライナ 州、フロレンス、コロニアル・ドライ ブ、3806番 (72)発明者 クリフォード・ジョセフ・ジンフライ ダ,ジュニア アメリカ合衆国、サウス・カロライナ 州、フロレンス、ウエスト・ベルモン ト・サークル、4512番 (56)参考文献 特開 昭63−135768(JP,A) 特開 平2−81486(JP,A) 実開 昭61−81580(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01F 6/00 - 6/06 H01L 39/02 - 39/04 H01L 39/14 - 39/16 H01L 39/20 A61B 5/05 F25D 11/00 - 16/00 F25D 27/00 - 31/00

Claims (14)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 超伝導磁石コイルを備え、衝撃及び振動
    に耐えることができると共に、伝導冷却を利用した超伝
    導磁石アセンブリ用の熱伝達アセンブリであって、 超伝導磁石と熱交換可能に位置決めされている低温冷却
    装置と、 前記超伝導磁石コイルの熱シールドを行う少なくとも1
    つの熱部材と、 該熱部材に近接して前記低温冷却装置を取り囲んでいる
    低温冷却装置コールドヘッドスリーブと、 前記少なくとも1つの熱部材に接触している複数の熱的
    インタフェイスと、 前記コールドヘッドスリーブと前記少なくとも1つの熱
    部材の各々との間に延在している複数のフレキシブル熱
    接続体とを備えており、 該フレキシブル熱接続体は、断面が実質的に円形のフレ
    キシブル同芯撚線ケーブルを含んでおり、該フレキシブ
    ル同芯撚線ケーブルは、前記コールドヘッドスリーブの
    半径方向及び前記コールドヘッドスリーブの端部の軸方
    向の両方向に延在しているとともに、複数の熱伝導撚線
    を含んでおり、該複数の熱伝導撚線の各々は、複数のワ
    イヤを含んでいる超伝導磁石アセンブリ用の熱伝達アセ
    ンブリ。
  2. 【請求項2】 前記ワイヤは、銅であり、前記フレキシ
    ブル同芯撚線ケーブルは、前記コールドヘッドスリーブ
    と前記少なくとも1つの熱部材の間を円弧状に延在する
    請求項1に記載の超伝導磁石アセンブリ用の熱伝達アセ
    ンブリ。
  3. 【請求項3】 前記フレキシブル同芯撚線ケーブルは、
    1500本以上の銅ワイヤを含んでいる請求項2に記載
    の超伝導磁石アセンブリ用の熱伝達アセンブリ。
  4. 【請求項4】 前記冷却装置コールドヘッドスリーブ
    は、ステンレススティールである請求項3に記載の超伝
    導磁石アセンブリ用の熱伝達アセンブリ。
  5. 【請求項5】 前記コールドヘッドスリーブは、断面が
    前記冷却装置の軸を中心とした円筒形であり、 前記少なくとも1つの熱部材は、多数の熱シールドを含
    んでおり、 前記低温冷却装置は、前記コールドヘッドスリーブの個
    々の領域が前記低温冷却装置の各ステージに隣接してい
    る多重ステージ冷却装置であり、 複数の前記フレキシブル同芯撚線ケーブルは、前記コー
    ルドヘッドスリーブの前記領域の各々の間を隣接した熱
    シールドまで延在している請求項4記載の超伝導磁石ア
    センブリ用の熱伝達アセンブリ。
  6. 【請求項6】 前記冷却装置は、前記コールドヘッドス
    リーブ内に位置決めされており、前記多重ステージ冷却
    装置は、前記コールドヘッドスリーブの第1のステージ
    領域及び第2のステージ領域を異なる温度で設けてお
    り、 前記第2のステージから熱シールドまで延在している前
    記フレキシブル同芯撚線ケーブルは、前記コールドヘッ
    ドスリーブの軸の周りを半径方向及び軸方向の両方向に
    延在している請求項5に記載の超伝導磁石アセンブリ用
    の熱伝達アセンブリ。
  7. 【請求項7】 前記第1のステージから延在している少
    なくとも1つの前記フレキシブル同芯撚線ケーブルは、
    前記第1のステージの前記ステンレススティールのコー
    ルドヘッドスリーブ上の銅熱接触ストリップに反対側の
    端部で溶接されている請求項6に記載の超伝導磁石アセ
    ンブリ用の熱伝達アセンブリ。
  8. 【請求項8】 前記第2のステージのコールドヘッドス
    リーブの直径は、前記第1のステージのコールドヘッド
    スリーブの直径よりも小さい請求項7に記載の超伝導磁
    石アセンブリ用の熱伝達アセンブリ。
  9. 【請求項9】 超伝導磁石コイルと1以上の熱シールド
    部材を備え、衝撃及び振動に耐えることができると共
    に、伝導冷却を利用した超伝導磁石アセンブリ用の熱伝
    達アセンブリであって、 超伝導磁石と熱交換可能に位置決めされている低温冷却
    装置と、 前記超伝導磁石コイルの熱シールドを行う少なくとも1
    つの熱シールド部材と、 該熱シールド部材に近接して前記低温冷却装置を取り囲
    んでいる低温冷却装置コールドヘッドスリーブと、 前記少なくとも1つの熱シールド部材に接触している複
    数の熱的インタフェイスと、 前記コールドヘッドスリーブと前記少なくとも1つの熱
    シールド部材の各々との間に延在している複数のフレキ
    シブル熱接続体とを備えており、 該フレキシブル熱接続体は、断面が実質的に円形のフレ
    キシブル同芯撚線ケーブルを含んでおり、該フレキシブ
    ル同芯撚線ケーブルは、複数の熱伝導撚線を含んでお
    り、該複数の熱伝導撚線の各々は、複数のワイヤを含ん
    でおり、 前記ワイヤは、銅であり、 前記フレキシブル同芯撚線ケーブルは、1500本以上
    の銅ワイヤを含んでおり、 前記熱的インタフェイスは、前記少なくとも1つの熱
    ールド部材に固定されている銅ブロックであり、 前記銅ブロックは、前記少なくとも1つの熱シールド
    材にボルト締めされており、 前記冷却装置コールドヘッドスリーブは、ステンレスス
    ティールであり、 前記コールドヘッドスリーブは、断面が前記冷却装置の
    軸を中心とした円筒形であり、 前記少なくとも1つの熱シールド部材は、多数の熱シー
    ルドを含んでおり、 前記低温冷却装置は、前記コールドヘッドスリーブの個
    々の領域が前記低温冷却装置の各ステージに隣接してい
    る多重ステージ冷却装置であり、 複数の前記フレキシブル同芯撚線ケーブルは、前記コー
    ルドヘッドスリーブの前記領域の各々の間を隣接した熱
    シールドまで延在しており、 前記冷却装置は、前記コールドヘッドスリーブ内に位置
    決めされており、 前記多重ステージ冷却装置は、前記コールドヘッドスリ
    ーブの第1のステージ領域及び第2のステージ領域を異
    なる温度で設けており、 前記第2のステージから熱シールドまで延在している前
    記フレキシブル同芯撚線ケーブルは、前記コールドヘッ
    ドスリーブの軸の周りを半径方向及び軸方向の両方向に
    延在しており、 前記第1のステージの温度は、前記第2のステージの温
    度と異なっており、 前記第1のステージから延在している少なくとも1つの
    前記フレキシブル同芯撚線ケーブルは、前記第1のステ
    ージの前記ステンレススティールのコールドヘッドスリ
    ーブ上の銅熱接触ストリップに反対側の端部で溶接され
    ており、 前記第2のステージのコールドヘッドスリーブの直径
    は、前記第1のステージのコールドヘッドスリーブの直
    径よりも小さく、 前記接触ストリップは、前記コールドヘッドスリーブの
    第1のステージ部に沿って軸方向に延在している超伝導
    磁石アセンブリ用の熱伝達アセンブリ。
  10. 【請求項10】 前記第2のステージに接続されている
    前記フレキシブルケーブルは、前記第2のステージのコ
    ールドヘッドスリーブの側部からほぼ半径方向に延在し
    ていると共に、前記第2のステージのコールドヘッドス
    リーブの端部から実質的に軸方向に延在している請求項
    9に記載の超伝導磁石アセンブリ用の熱伝達アセンブ
    リ。
  11. 【請求項11】 前記低温冷却装置は、その軸の長手方
    向に沿って移動する円筒体を含んでいる請求項10に記
    載の超伝導磁石アセンブリ用の熱伝達アセンブリ。
  12. 【請求項12】 前記同芯撚線ケーブルは、7×7×3
    4/36の撚線ロープ構造である1666本の銅ワイヤ
    を含んでいる請求項に記載の超伝導磁石アセンブリ用
    の熱伝達アセンブリ。
  13. 【請求項13】 前記同芯撚線ケーブルの少なくとも1
    つが、前記コールドヘッドスリーブと前記少なくとも1
    つ熱シールド部材との間で前記コールドヘッドスリーブ
    の軸の半径方向に接続された場合における前記同芯撚線
    ケーブルの長さは、4インチである請求項12に記載の
    超伝導磁石アセンブリ用の熱伝達アセンブリ。
  14. 【請求項14】 前記同芯撚線ケーブルの少なくとも1
    つが、前記コールドヘッドスリーブと前記少なくとも1
    つ熱シールド部材との間において前記コールドヘッドス
    リーブの軸の半径方向に接続されたときに1インチの半
    径を有している請求項12に記載の超伝導磁石アセンブ
    リ用の熱伝達アセンブリ。
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