JP4527692B2 - 進行波管の同軸導波管変換回路及びその作製方法、その回路に用いる導波管整合部品 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波を増幅する進行波管の入出力部に関する。特に、マイクロ波を導波管から進行波管の入力用同軸部へ入力する際にモード変換する、あるいは、進行波管の出力用同軸部から導波管に出力する際にモード変換する同軸導波管変換回路の構造に関する。

図５は特許文献１に開示されている一般的な進行波管の概略構成を示す縦断面図である。進行波管１００は、一般に、電子銃１０１と遅波回路部１０２とコレクタ１０３とから構成されている。遅波回路部１０２は、真空外囲器１０４の中にヘリックス１０５を誘電体１０６で支持固定して構成されている。遅波回路部１０２の両端には、それぞれ、マイクロ波を進行波管１００内のヘリックス１０５に入力するための入力回路１０７と、ヘリックス１０５を進行する過程で増幅されたマイクロ波を出力するための出力回路１０８とが設置されている。入力回路１０７や出力回路１０８に導波管１０９を使用する場合は、導波管１０９と、進行波管１００の入力／出力用の同軸部１１０との間で、マイクロ波をモード変換する同軸導波管変換回路を形成している。

この同軸導波管変換回路としては、特許文献２に示すような構造が提案されている。この構造は、図６に示すように、導波管２０１と進行波管の外囲器２０２とを連結する筒状の同軸外導体２０３と、進行波管の外囲器２０２内から同軸外導体２０３の中心軸に沿って導波管２０１の内部に延在してヘリックス２０４と導波管２０１とを接続する同軸内導体２０５とを備え、同軸外導体２０３と同軸内導体２０５との間の隙間がセラミックの窓部２０６により真空封止された構造である。そして、同軸外導体２０３と同軸内導体２０５からなる同軸部と導波管２０１とのインピーダンス整合を行なうために、同軸内導体２０５と導波管壁２０１ａとの接合部に導波管整合部品２０７を使用している。

導波管整合部品２０７は筒形部品からなり、導波管壁２０１ａに設けられた穴に導波管２０１の外側から嵌め込んで固定されるとともに、部品に円柱状の同軸内導体２０５を嵌合させるものである。この部品の筒穴は部品先端部のみが他より狭い形状となっており、同軸内導体２０５が部品先端部の狭い穴（以下、嵌合穴２０７ａと呼ぶ。）に嵌合される。また、部品にはばね性のある材料（例えばりん青銅）を用い、図７Ａ及び７Ｂに示すように部品先端から複数のすり割り（スリット）２０７ｂを入れてある。

このような導波管整合部品２０７を導波管２０１の外側から嵌め込む前に、あらかじめ、すり割り２０７ｂによって分かれている片持ち支持部２０７ｃを部品中心軸側に曲げておく（つまり嵌合穴２０７ａをすぼめておく）。この状態の導波管整合部品２０７に同軸内導体２０５を嵌合させることで、導波管整合部品２０７と同軸内導体２０５とを接触させている。導波管整合部品２０７と同軸内導体２０５との接触は片持ち支持部２０７ｃのばね性で行なわれる。

このような部品構造によれば、部品に高い加工精度を要求しなくても同軸内導体との接触を図ることができ、部品の組み付けも簡単となる。
特開２００５−３３９８９２号公報 実開平２−３２２０８号公報

特許文献２に開示されているような同軸導波管変換回路の導波管整合部品は、片持ち支持部を曲げて同軸内導体用の嵌合穴をすぼませることで同軸内導体との接触を図る構成である。しかし、すぼませる作業を人手で行なった場合は、すぼめ方の不均一を生じて円柱の同軸内導体と接触する嵌合穴部が円形でなくなるため、同軸内導体と導波管整合部品との接触状態の悪化を招く。一方、すぼめ方が均一になるよう作業を機械化した場合は製造コストが増加する。

また、従来の導波管整合部品における同軸内導体用嵌合穴は同軸内導体よりも直径が大きいストレート状の穴である。即ち、図８（ａ）に示すように片持ち支持部２０７ｃの、嵌合穴２０７ａを形成している壁面が嵌合穴２０７ａの中心線と略平行になっている。このため、図８（ｂ）に示すように、片持ち支持部２０７ｃを曲げておいて導波管整合部品２０７と同軸内導体２０５を接触させたときは、片持ち支持部２０７ｃの、嵌合穴２０７ａを形成している壁面が傾いて、同軸内導体２０５との接触は点での接触となっていた。この事は、すぼませる作業を人手で行なった場合の接触状態の問題を一層大きくさせる。

以上のように同軸内導体と導波管整合部品との接触が不十分である場合は、同軸内導体からの放熱効果が低下するという問題がある。

すなわち、進行波管では電子ビームが遅波回路部を通過する際にヘリックスの内壁に当たって熱が発生する。また、マイクロ波がヘリックス内を通るときの高周波損失によっても発熱する。このようなヘリックス部で発生した熱は進行波管の外囲器から放熱されるとともに、ヘリックスと繋がっている同軸内導体および導波管整合部品などを介して導波管からも放熱されるようになっている。

しかし、同軸内導体からの放熱効果が低いと、同軸部およびヘリックス部の温度上昇を招き、電気的特性が劣化するとともに動作の不安定を引き起こす。最悪の場合は同軸部で放電・スパッタリング等が生じて進行波管が動作不良となる場合があった。

また、進行波管の動作中、高温になるため、同軸導波管変換回路を構成する各部品の熱膨張差によって、同軸内導体と導波管整合部品との接触状態が悪化し、同軸内導体からの放熱効果を一層低下させるという懸念もある。

本発明の目的は、上記従来技術の問題に鑑み、同軸内導体と導波管整合部品との接触状態を従来構造に対してより良好にして放熱性を高めることにある。

本発明の同軸導波管変換回路は、導波管内部に延びる同軸部の内導体と導波管の管壁とを接続する導波管整合部品を有している。この部品は、内導体と嵌合する嵌合穴と、先端部が当該嵌合穴を形成するばね性のある複数の片持ち支持部とを備えてなる。そして、上記課題を解決するために、内導体は先端部だけがテーパ状に細くなっており、嵌合穴における内導体の挿入口が、内導体の最先端の径より大きく、且つ内導体の先端部以外の本体部外径より小さくしてある。このため、導波管整合部品の嵌合穴に内導体を挿入したときは、各片持ち支持部が内導体の外径に合わせて導波管整合部品の径方向外側に均一に変位すると同時に、片持ち支持部のばね性により内導体と各片持ち支持部との接触状態が良好に保たれる。

以上の構成によれば、内導体から導波管整合部品を介して導波管へ放熱させる際の伝導特性が従来技術よりも良好となる。よって、同軸部およびヘリックス部の温度上昇抑制の効果が高まり、電気的特性の劣化を招くことなく安定な動作が可能となる。また、内導体と導波管整合部品との嵌合も容易である。

さらに、使用する導波管整合部品の嵌合穴は、嵌合穴における内導体の挿入口に向かって穴径が細くなるテーパ形状であるとともに、当該挿入口が前記内導体の先端部以外の本体部外径より小さくなっていることが好ましい。このような形状の部品において、嵌合穴における内導体の挿入口とは反対側の開口径を、内導体の先端部以外の本体部外径と同じにすることで、内導体が嵌合した際、内導体と各片持ち支持部との接触状態が面での接触となる。すなわち、放熱効果をより一層高めることができる。

また、上記課題を解決するための本発明は、導波管の管壁に、導波管整合部品の複数の片持ち支持部からなる部位を嵌め込み固定する穴が形成され、この穴が、導波管の外部から内部に向けて穴径を細くしたテーパ形状となっている構造でもよい。この構造に用いる導波管整合部品は、内導体と嵌合する嵌合穴と、先端部が当該嵌合穴を形成するばね性のある複数の片持ち支持部とを備えてなる。そして、導波管整合部品を上記のように導波管壁に形成されたテーパ穴に挿入した際、各片持ち支持部がテーパ穴の径の縮小に合わせて導波管整合部品の径方向内側に変位して、内導体に強固に密着する。したがって、この構造においても、従来技術よりも放熱効果が期待できる。

本発明によれば、同軸内導体と導波管整合部品との接触状態を従来構造に対してより良好にすることができる。その結果、従来の進行波管に対し、同軸内導体からの放熱効果が高まり、動作の安定化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、図６に示した従来の同軸導波管変変換回路の構成部品と同一部品には同一符号を用いる。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係わる進行波管用同軸導波管変換回路の概略構成を示す縦断面図である。図２は導波管整合部品単体と同軸内導体を嵌合させる様子を示した縦断面図である。図１及び図２ともに導波管整合部品２０７Ａはすり割りに沿った切断面を示している。

図１において、同軸内導体２０５は円柱状の導体を使用している。同軸内導体２０５と嵌合させる本実施形態の導波管整合部品２０７Ａは図７Ａ及び７Ｂに示した構成と同じように構成されている。すなわち、導波管整合部品２０７Ａは筒形部品からなり、この部品の筒穴は部品先端部のみが他より狭い形状となっていて、嵌合穴２０７ａを形成（画成）している。そして、この部品にばね性を持つ材料（例えば、りん青銅）を用い、部品先端から複数のすり割り（スリット）２０７ｂを入れてある。この事により、各すり割り２０７ｂによって分かれている片持ち支持部２０７ｃは、そのばね性によって、嵌合穴２０７ａの中心軸に対して変位可能である。そして、図１に示すように、導波管整合部品２０７Ａの嵌合穴２０７ａに同軸内導体２０５が嵌合された状態では、各片持ち支持部２０７ｃがそのばね性によって、同軸内導体２０５と接触している。なお、導波管整合部品２０７Ａの複数の片持ち支持部２０７ｃは導波管壁２０１ａの内部側に突出しており、それらの周り（導波管整合部品２０７Ａの径方向外側）には導波管壁２０１ａは存在していない。

特に本実施形態では、図２に示すように、導波管整合部品２０７Ａ単体での同軸内導体用嵌合穴２０７ｂがテーパ状の丸穴になっていて、部品先端（同軸内導体２０５の挿入口）に向けて穴径が細くなっている。さらに、導波管内部に延びる円柱状の同軸内導体２０５の先端部だけが、先端にいくほど直径が細くなるテーパ形状、もしくは、角を面取りされた形状となっている。

さらに、図２に示すように、テーパ状の嵌合穴２０７ａにおける導波管整合部品２０７Ａ先端側の開口直径Ａは、嵌合穴２０７ａにおける導波管整合部品２０７Ａ後端側の開口直径Ｂよりも小さい。一方、同軸内導体２０５の最先端の直径Ｃは、同軸内導体２０５の本体部の直径Ｄよりも小さく、かつ、嵌合穴２０７ａの開口直径Ａよりも小さい。そして、同軸内導体２０５の本体部の直径Ｄは、嵌合穴２０７ａの開口直径Ｂよりも大きく、好ましくは嵌合穴２０７ａの開口直径Ｂとほぼ同じである。つまり、Ｄ＞Ｂ＞Ａ＞Ｃ、好ましくは、Ｄ≒Ｂ＞Ａ＞Ｃ の関係となっている。

このように、導波管整合部品２０７Ａ先端側の嵌合穴２０７ａの開口直径Ａが同軸内導体２０５の最先端の直径Ｃより大きく、かつ、同軸内導体２０５の本体部の直径Ｄよりも小さいので、導波管整合部品２０７Ａの嵌合穴２０７ａに同軸内導体２０５を挿入する際、挿入しやすい。そして、同軸内導体２０５の挿入過程において、各片持ち支持部２０７ｃが同軸内導体２０５の外径に合わせて変形する。このため、導波管整合部品２０７Ａと同軸内導体２０５との接触状態を良好に保つことができる。つまり、同軸内導体２０５を挿入した際に各片持ち支持部２０７ｃが同軸内導体２０５の外径に合わせて導波管整合部品２０７Ａの径方向外側に均一に拡がっていくので、そのばね性によって同軸内導体２０５との接触状態を良好に保つことができる。

特に、同軸内導体２０５の本体部の直径Ｄが、導波管整合部品２０７Ａの後端側における嵌合穴２０７ａの開口直径Ｂとほぼ同じである場合は、片持ち支持部２０７ｃの、嵌合穴２０７ａを形成している壁面が、図１に示すように同軸内導体２０５の本体部の外周面と接触することになる。つまり、この場合は面どうしの接触となって、大きな接触面積を得ることができ、熱伝導特性が一層向上する。

以上のように導波管整合部品２０７Ａは、従来構成と比べて予め片持ち支持部２０７ｃを曲げる工程が不要であり、嵌合穴２０７ａに同軸内導体２０５を挿入するだけで同軸内導体２０５との接触状態を良好に保つことができる。その結果、進行波管のヘリックス部で発生した熱を同軸内導体２０５から導波管整合部品２０７Ａを介して導波管２０１へ放熱させる際の伝導特性が従来技術よりも良好となる。そして、同軸部およびヘリックス部の温度上昇抑制の効果が高まり、電気的特性の劣化を招くことなく安定な動作が可能となる。

（実施形態２）
図３は本発明の実施形態２に係わる進行波管用同軸導波管変換回路の概略構成を示す縦断面図である。図４は導波管に導波管整合部品を介して同軸内導体を接続させる様子を示した縦断面図である。図３及び図４ともに導波管整合部品２０７Ｂはすり割りに沿った切断面を示している
本実施形態においても、同軸内導体２０５は円柱状の導体を使用している。また、導波管整合部品２０７Ｂも図７Ａ及び７Ｂに示した構成と同じように構成されている。すなわち、導波管整合部品２０７Ｂは円筒形部品からなり、この部品の筒穴は部品先端部のみが他より狭い形状となっていて、嵌合穴２０７ａを形成（画成）している。そして、この部品にばね性を持つ材料（例えば、りん青銅）を用い、部品先端から複数のすり割り（スリット）２０７ｂを入れてある。この事により、各すり割り２０７ｂによって分かれている片持ち支持部２０７ｃは、そのばね性によって、嵌合穴２０７ａの中心軸に対して変位可能である。なお、すり割り２０７ｂの溝幅は、各片持ち支持部２０７ｃの先端が同時に大きく嵌合穴２０７ａの中心軸寄りに変位できるよう十分広くしてある。

特に本実施形態では、導波管整合部品２０７Ｂは複数の片持ち支持部２０７ｃと共に導波管壁２０１ａに嵌め込まれている。そして、図４に示すように、導波管整合部品２０７Ｂの、複数の片持ち支持部２０７ｃからなる部位を嵌め込む為に導波管壁２０１ａに設けられた穴２０８が、導波管２０１の内部側にいくほど穴径を細くしたテーパ状の丸穴になっている。また、導波管整合部品２０７Ｂの、複数の片持ち支持部２０７ｃからなる部位の外側面についても、部品先端（同軸内導体２０５の挿入口）側に向けて外径が細くなるテーパ形状になっている。このテーパ角度は、導波管壁２０１ａに設けられた穴２０８のテーパ角度よりも小さくしてある。

さらに、導波管整合部品２０７Ｂの先端部の外径Ｅは、導波管壁２０１ａの外側面に開口した穴２０８の口径Ｆよりも小さく、かつ、導波管壁２０１ａの内側面に開口した穴２０８の口径Ｊよりも大きくしてある。そして、穴２０８における導波管壁２０１ａ外側の口径Ｆは、導波管整合部品２０７Ｂの、複数の片持ち支持部２０７ｃの根元部での外径Ｉよりも僅かに大きくしてある。

また、導波管整合部品２０７Ｂの嵌合穴２０７ａは同軸内導体２０５の直径Ｈよりも穴径Ｇを大きくしてある。

以上のような形状にしたことにより、導波管整合部品２０７Ｂを導波管壁２０１ａの穴２０８に進入させる際、導波管整合部品２０７Ｂの嵌合穴２０７ａへの同軸内導体２０５の進入が進む。この過程で、導波管整合部品２０７Ｂの先端部が導波管壁２０１ａのテーパ状穴２０８の側面に当たり、各片持ち支持部２０７ｃがテーパ状穴２０８の径の縮小に合わせて嵌合穴２０７ａの中心線に近づくように変形する。すなわち、各片持ち支持部２０７ｃが導波管整合部品２０７Ｂの径方向内側にすぼまって嵌合穴２０７ａの穴径が縮小していく。その後、図３のように完全に導波管整合部品２０７Ｂを導波管壁２０１ａの穴２０８に嵌め込んだとき、各片持ち支持部２０７ｃが同軸内導体２０５に強固に密着する。

以上のように導波管整合部品２０７Ｂは、従来構成と比べて予め片持ち支持部２０７ｃを曲げる工程が不要である。そして、導波管壁２０１ａに設けられたテーパ状の穴２０８に導波管整合部品２０７Ｂを嵌め込み固定するだけで、導波管整合部品２０７Ｂと同軸内導体２０５との密着が強固に保たれる。その結果、進行波管のヘリックス部で発生した熱を同軸内導体２０５から導波管整合部品２０７Ｂを介して導波管２０１へ放熱させる際の伝導特性が従来技術よりも良好となる。そして、同軸部およびヘリックス部の温度上昇抑制の効果が高まり、電気的特性の劣化を招くことなく安定な動作が可能となる。

なお、本実施形態において、導波管整合部品２０７Ｂの、複数の片持ち支持部２０７ｃからなる部位の外側面を上記のようなテーパ面とした理由は、次のとおりである。上記のようなテーパ面とした場合は、導波管整合部品２０７Ｂを導波管壁２０１ａの穴２０８に嵌め込んだ時の、片持ち支持部２０７ｃの、嵌合穴２０７ａを形成している壁面が傾きにくい。よって、片持ち支持部２０７ｃと同軸内導体２０５とを、面で接触させられる為である。これに対し、導波管整合部品２０７Ｂの、複数の片持ち支持部２０７ｃからなる部位が同一外径である場合は、このような導波管整合部品を導波管壁２０１ａの穴２０８に嵌め込んだ時、片持ち支持部２０７ｃと同軸内導体２０５とが、図８（ｂ）に示したような、点での接触状態となる虞がある。しかし、この場合は、嵌合穴２０７ａを、その同軸内導体２０５の挿入口とは反対側に向かって穴径が細くなるテーパ形状にすることで、上記のような面接触の状態を得られるようになる。

いずれの場合であっても、片持ち支持部２０７ｃと同軸内導体２０５とが点での接触になることが無いように、各部品を設計することが望ましい。このように設計すれば、同軸内導体２０５から導波管２０１への放熱性能が一層向上するからである。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲でさらに多くの改変を施しえるのは言うまでも無いことである。

本発明の実施形態１に係わる進行波管用同軸導波管変換回路の概略構成を示す縦断面図である。 本発明の実施形態１に用いた導波管整合部品単体と同軸内導体とを嵌合させる様子を示した縦断面図である。 本発明の実施形態２に係わる進行波管用同軸導波管変換回路の概略構成を示す縦断面図である。 本発明の実施形態２において導波管に導波管整合部品を介して同軸内導体を接続させる様子を示した縦断面図である。 一般的な進行波管の概略構成を示す縦断面図である。 進行波管に用いられる従来の同軸導波管変換回路の概略構成を示す縦断面図である。 図６に示した導波管整合部品単体の正面図である。 図６に示した導波管整合部品単体を先端側（進行波管側）から見た平面図である。 図６に示した導波管整合部品と同軸内導体とを接触させる様子を説明するための図である。

符号の説明

２０１ 導波管
２０１ａ 導波管壁
２０３ 同軸外導体
２０５ 同軸内導体
２０７Ａ，２０７Ｂ 導波管整合部品
２０７ａ 嵌合穴
２０７ｂ すり割り
２０７ｃ 片持ち支持部
２０８ 導波管壁の穴

Claims (8)

1. 進行波管の入力／出力用同軸部を導波管に変換する同軸導波管変換回路であって、前記導波管内部に延びる前記同軸部の内導体と前記導波管の管壁とを接続する導波管整合部品を有し、該導波管整合部品が、前記内導体と嵌合する嵌合穴と、先端部が前記嵌合穴を形成するばね性のある複数の片持ち支持部とを備えてなる同軸導波管変換回路において、
   前記内導体の先端部だけがテーパ状に細くなっており、
   前記嵌合穴における前記内導体の挿入口を前記内導体の最先端の径より大きく、且つ前記内導体の先端部以外の本体部外径より小さくしてある前記導波管整合部品の当該嵌合穴に前記内導体を挿入した状態で、前記各片持ち支持部が、前記内導体の本体部外径に合わせて前記導波管整合部品の径方向外側に変位していると同時に、そのばね性により前記内導体との接触状態を保っていることを特徴とする進行波管の同軸導波管変換回路。
2. 進行波管の入力／出力用同軸部を導波管に変換する同軸導波管変換回路に用いられ、前記導波管内部に延びる前記同軸部の、先端部だけがテーパ状に細くなっている内導体と前記導波管の管壁とを接続する導波管整合部品において、
   前記内導体と嵌合する嵌合穴と、先端部が前記嵌合穴を形成するばね性のある複数の片持ち支持部とを備え、前記嵌合穴が、前記嵌合穴における前記内導体の挿入口に向かって穴径が細くなるテーパ形状であるとともに、当該挿入口が前記内導体の先端部以外の本体部外径より小さくなっていることを特徴とする導波管整合部品。
3. 前記嵌合穴における前記内導体の挿入口とは反対側の開口径が、前記内導体の先端部以外の本体部外径と同じであることを特徴とする請求項２に記載の導波管整合部品。
4. 進行波管の入力／出力用同軸部を導波管に変換する同軸導波管変換回路の作製方法であって、
   前記導波管の内部に延びる前記同軸部の内導体の先端部だけをテーパ状に細くし、
   前記内導体と前記導波管の管壁とを接続する部品であって、前記内導体と嵌合する嵌合穴と、先端部が前記嵌合穴を形成するばね性のある複数の片持ち支持部とを備え、前記嵌合穴における前記内導体の挿入口を前記内導体の最先端の径より大きく、且つ前記内導体の先端部以外の本体部外径より小さくした導波管整合部品を用意し、
   その後、前記導波管整合部品を前記導波管の管壁に固定しつつ、前記内導体を前記導波管整合部品の前記嵌合穴に挿入することにより、前記各片持ち支持部を前記内導体の本体部外径に合わせて前記導波管整合部品の径方向外側に変位させると同時に、前記各片持ち支持部をそのばね性により前記内導体と接触させることを特徴とする同軸導波管変換回路の作製方法。
5. 用意する前記導波管整合部品は、前記嵌合穴が、前記嵌合穴における前記内導体の挿入口に向かって穴径が細くなるテーパ形状に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の同軸導波管変換回路の作製方法。
6. 前記嵌合穴における前記内導体の挿入口とは反対側の開口径を、前記内導体の本体部外径と同じにしてあることを特徴とする請求項５に記載の同軸導波管変換回路の作製方法。
7. 進行波管の入力／出力用同軸部を導波管に変換する同軸導波管変換回路であって、前記導波管内部に延びる前記同軸部の内導体と前記導波管の管壁とを接続する導波管整合部品を有し、該導波管整合部品が、前記内導体と嵌合する嵌合穴と、先端部が前記嵌合穴を形成する複数の片持ち支持部とを備えてなる同軸導波管変換回路において、
   前記導波管の管壁には、前記導波管整合部品の前記複数の片持ち支持部からなる部位を嵌め込み固定する穴が形成されており、この穴が、前記導波管の外部から内部に向けて穴径を細くしたテーパ形状となっており、
   前記穴への前記導波管整合部品の挿入によって前記各片持ち支持部が前記導波管整合部品の径方向内側に変位して、前記内導体に密着していることを特徴とする進行波管の同軸導波管変換回路。
8. 進行波管の入力／出力用同軸部を導波管に変換する同軸導波管変換回路の作製方法であって、
   前記導波管内部に延びる前記同軸部の内導体と前記導波管の管壁とを接続する部品であって、前記内導体と嵌合する嵌合穴と、先端部が前記嵌合穴を形成する複数の片持ち支持部とを備えてなる導波管整合部品を作製し、
   前記導波管の管壁に、前記導波管の外部から内部に向かって穴径が細くなるテーパ状の穴を形成し、
   前記導波管の外部から前記導波管整合部品の前記複数の片持ち支持部からなる部位を前記テーパ状の穴に嵌め込むことにより、前記各片持ち支持部を前記導波管整合部品の径方向内側に変位させて前記内導体に密着させることを特徴とする同軸導波管変換回路の作製方法。
   
   

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