KR100651905B1 - 마그네트론 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 마그네트론의 특성을 그대로 유지하면서 보다 소형화된 마그넷을 갖는 마그네트론을 제공하는데 그 목적이 있다.

이를 위해, 본 발명은 아노드 실린더와, 상기 아노드 실린더의 상하부에 각각 구비된 상측 및 하측 마그넷과, 상기 마그넷과 연결된 상자극 및 하자극을 포함하는 마그네트론에 있어서, 상기 마그넷의 내측 직경이 19~21 mm 이고, 상기 마그넷의 두께가 11.5~12.5 mm 인 경우에 상기 마그넷의 외측 직경은 50~54 mm 인 것을 특징으로 하는 마그네트론을 제공한다.

마그네트론, 마그넷

Description

마그네트론{magnetron}

도 1은 일반적인 마그네트론의 구성을 나타낸 종단면도.

도 2는 본 발명에 따른 마그네트론의 구성을 나타낸 단면도.

도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 마그네트론의 마그넷의 외측 직경에 따른 자기장 평균밀도의 변화를 나타낸 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

101a,101b: 상/하측 마그넷 102,103: 상/하 자극

104,105: 상/하 요크 109: 아노드 실린더

MO: 마그넷 외측 직경 MI: 마그넷 내측 직경

MT1: 상측 마그넷 두께 MT2: 하측 마그넷 두께

PG: 상/하 자극 사이의 간격

본 발명은 마그네트론에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소형화된 마그네트론에 관한 것이다.

일반적으로, 마그네트론은 구조가 간단하고 고효율의 안정된 동작을 수행하 는 등의 장점으로 인하여 전자레인지 등에 사용되는 마이크로파 가열용 발진원으로 널리 이용되고 있다.

도 1은 일반적인 마그네트론의 구성을 나타낸 단면도이다.

도 1에서 보는 바와 같이, 상기 마그네트론은 아노드 실린더(9, anode cylinder), 아노드 베인(6, anode vane), 내/외 스트랩(13, inner/outer strap), 음극부(15, cathode), 냉각핀(17), 요크(4,5), 마그넷(1), 그리고 필터박스(20)를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 아노드 실린더(9)는 원통 형상으로 이루어지고, 상기 아노드 베인(6)은 상기 아노드 실린더(9)의 내벽에 방사상으로 설치되어 공진부(resonant cavity)를 형성한다. 또한, 상기 내/외 스트랩(13)은 상기 아노드 베인(6)의 상, 하면에 격간으로 접촉되어 각 베인을 전기적으로 연결하고, 상기 음극부(15)는 마그네트론 정 중앙에 위치하여 음극 역할을 하는 나선형상의 필라멘트(7)를 포함하여 이루어진다.

상기 아노드 실린더(9) 외주면에는 방열을 위하여 다수개의 냉각핀(17)이 설치되고, 상기 냉각핀은 상, 하판으로 구분된 요크(4,5)에 의하여 보호 및 지지되고 외부 공기가 냉각핀(17)으로 안내된다. 또한, 상기 아노드 실린더(9) 상, 하부에는 각각 정자기장을 형성시키는 마그넷들(1)이 구비되고, 상기 마그넷들(1)은 각각 상자극(2) 및 하자극(3)과 연결된다.

또한, 상기 마그네트론의 하부에는 필터박스(20)가 구비된다.

상기와 같이 이루어진 마그네트론은 다음과 같이 동작된다.

먼저, 필라멘트(7)를 가열하면 전자들이 방출된다. 여기서, 음극부(15)와 공진부 사이에는 정전기장이 유도되고, 상기 상자극(2) 및 하자극(3)의 사이에는 공진부 상하방향으로 정자기장이 유도된다. 이를 통하여, 상기 전자는 정전기장 및 정자기장의 힘을 받아 음극부와 공진부 사이의 작용공간 내에서 사이클로이드(cycloid) 운동을 하게 된다.

이때, 사이클로이드 운동을 하고 있는 전자들은 베인들(6) 사이에 이미 인가된 고주파 전계와 상호작용을 하면서 점차로 공진부 쪽으로 이동하게 되는데 이 과정에서 전자가 가지고 있는 대부분의 에너지는 고주파 에너지로 전환된다. 상기 고주파 에너지는 공진부에 축적되고 그 축적된 에너지는 상기 마그네트론의 상부에 구비되고 상기 베인(6)에 연결된 안테나를 통하여 외부로 방사된다.

한편, 상기 전자들은 외부로 방사되고 남은 에너지를 지닌 채 공진부에 도달되는데 상기 에너지는 공진부에서 열에너지로 전환된다.

이와 같이, 베인(6)에서 발생된 열은 아노드 실린더(9)의 외주면에 설치된 다수개의 냉각핀(17)에 의하여 효율적으로 냉각되어, 열에 의한 마그네트론의 성능저하를 방지할 수 있다.

한편, 상기 마그네트론에서 발생되는 고주파 에너지의 출력은 상기 상자극(2) 및 하자극(3) 사이에 발생되는 자기장의 크기와 상관관계를 갖는다. 또한, 상기 자기장의 크기는 상기 마그넷의 구조에 의하여 변경된다.

따라서, 상기 마그넷(1) 및 상/하 자극(2,3)의 크기를 줄이면서도 마그네트론의 특성을 그대로 유지시킨다면 제품 단가는 크게 줄일 수 있는데, 이에 대한 연 구가 전무한 상태임을 감안하여 볼 때 제품 단가 측면뿐만 아니라 자원낭비를 막는 측면을 함께 고려하여 상기 마그네트론의 크기를 줄이기 위한 연구가 필요한 상태이다.

그러나, 종래의 마그네트론은 상기 마그넷 및 상/하자극을 불필요하게 크게 구성하여 마그네트론의 전체적인 크기가 증가되는 문제점이 있었다. 이로 인하여, 상기 마그네트론의 크기 및 그에 따른 재료비가 불필요하게 증가되는 문제점이 있었다.

또한, 상기 마그넷을 너무 작게 하면 상기 마그네트론의 출력이 급격히 저하될 우려가 있어서, 상기 마그네트론을 소형화하기 어려운 문제점이 있었다.

상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 보다 효율적으로 소형화된 마그네트론을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 아노드 실린더와, 상기 아노드 실린더의 상하부에 각각 구비된 상측 및 하측 마그넷과, 상기 마그넷과 연결된 상자극 및 하자극을 포함하는 마그네트론에 있어서, 상기 마그넷의 내측 직경이 19~21 mm 이고, 상기 마그넷의 두께가 11.5~12.5 mm 인 경우에 상기 마그넷의 외측 직경은 50~54 mm 인 것을 특징으로 하는 마그네트론을 제공한다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 아노드 실린더와, 상기 아노드 실린더의 상하부에 각각 구비된 상측 및 하측 마그넷과, 상기 마그넷과 연결 된 상자극 및 하자극을 포함하는 마그네트론에 있어서, 상기 마그넷의 내측 직경이 19~21 mm, 상기 상측 마그넷의 두께는 11.5~12.5 mm, 상기 하측 마그넷의 두께는 9.5~10.5 mm 인 경우에 상기 마그넷의 외측 직경은 51~54 mm 인 것을 특징으로 하는 마그네트론을 제공한다.

여기서, 상기 상자극 및 하자극 사이의 간격은 10.5~11.5 mm 이고, 상기 자극들의 외측 직경은 34~35 mm 임이 바람직하다. 또한, 상기 마그넷은 페라이트계 재질로 이루어짐이 바람직하다.

따라서, 본 발명에 의하면 마그네트론의 특성이 그대로 유지되면서 그 크기가 소형화되므로, 제품단가를 절감시킬 수 있게 됨과 더불어, 장착공간을 보다 효과적으로 활용할 수 있게 된다.

이하, 첨부도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마그네트론을 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 마그네트론의 구성도이다. 도면 설명에 앞서, 마그네트론은 종래기술에 언급된 바 있으므로, 종래기술과 동일한 구성에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.

도 2에서 보는 바와 같이, 아노드 실린더(109, anode cylinder), 아노드 베인(106, anode vane), 음극부(115, cathode), 요크(104,105), 상/하자극(102,103) 그리고 상측 및 하측 마그넷(101a,101b)을 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 아노드 실린더(109)는 원통 형상으로 이루어지고, 상기 아노드 베인(106)은 상기 아노드 실린더(109)의 내벽에 방사상으로 설치되어 공진부 (resonant cavity)를 형성한다. 상기 아노드 베인의 상,하면은 내/외 스트랩(미도시)에 의하여 격간으로 접촉되어 전기적으로 연결됨이 바람직하다.

또한, 상기 음극부(115)는 마그네트론 정 중앙에 위치하여 음극 역할을 하는 나선형상의 필라멘트를 포함하여 이루어지고, 상기 음극부(115)와 상기 아노드 베인들(106)의 사이에는 고주파 에너지가 발생되는 작용공간(120)이 형성된다. 상기 아노드 실린더(109) 외주면에는 방열을 위하여 다수개의 냉각핀이 설치되고, 상기 냉각핀은 상, 하판으로 구분된 요크(104,105)에 의하여 보호 및 지지됨이 바람직하다.

그리고, 상기 아노드 실린더(109) 상, 하부에는 각각 정자기장을 형성시키는 상측 및 하측 마그넷들(101a,101b)이 구비되고, 상기 마그넷들(101a,101b)은 각각 상자극(102) 및 하자극(103)과 연결된다. 여기서, 상기 마그넷들(101a,101b)은 페라이트계 재질의 영구자석으로 이루어짐이 바람직하다.

상기와 같이 이루어진 마그네트론은 다음과 같이 동작된다.

먼저, 상기 필라멘트가 가열되면 전자들이 방출된다. 여기서, 음극부(115)와 공진부 사이에는 정전기장이 유도되고, 상기 상자극(102) 및 하자극(103)의 사이에는 공진부 상하방향으로 정자기장이 유도된다. 이를 통하여, 상기 전자는 정전기장 및 정자기장의 힘을 받아 음극부와 공진부 사이의 작용공간 내에서 사이클로이드(cycloid) 운동을 하게 된다.

이때, 사이클로이드 운동을 하고 있는 전자들은 베인들(106) 사이에 이미 인가된 고주파 전계와 상호작용을 하면서 점차로 공진부 쪽으로 이동하게 되는데 이 과정에서 전자가 가지고 있는 대부분의 에너지는 상기 작용공간(120)에서 고주파 에너지로 전환된다. 상기 고주파 에너지는 공진부에 축적되고 그 축적된 에너지는 상기 마그네트론의 상부에 구비되고 상기 베인(106)에 연결된 안테나를 통하여 외부로 방사된다.

이러한 마그네트론에서 발생되는 고주파 에너지는 전자레인지 등과 같은 조리기기에서 음식물을 가열하기 위하여 사용되거나, 기타 가열장치에 사용될 수 있다.

한편, 상기 고주파 에너지의 출력은 상기 상자극(102) 및 하자극(103) 사이에 발생되는 자기장의 크기와 상관관계를 갖는다. 또한, 상기 자기장의 크기는 상기 마그넷(101a,101b)과 자극들(102,103)의 구조에 의하여 변경된다.

즉, 상기 상/하 자극들(102,103) 사이의 간격(PG)이 작아지면 상기 자기장의 크기는 증가한다. 또한, 상기 상/하 자극들(102,103)의 외측 직경(PO)이 감소하면 누설 자기장 값이 증가되어 상기 자기장의 크기가 감소된다. 이는 상기 자극들(102,103)과 마그넷들(101a,101b)이 겹쳐지지 않는 부분(A)에서 자기장이 누설되기 때문이다.

또한, 상기 마그넷(101a,101b)은 중앙이 개구된 원통형으로 이루어지는데, 상기 마그넷의 두께(MT1,MT2), 외측 직경(MO), 그리고 개구된 부분의 내측 직경(MI)의 크기에 따라서 상기 자기장의 크기가 변화된다.

따라서, 원하는 크기의 고주파 에너지를 출력하면서 상기 마그네트론을 소형화하기 위해서는, 상기 마그넷(101a,101b) 및 상/하 자극(102,103)의 구조에 따른 출력의 임계적인 값을 고려하여 상기 마그네트론이 제작되어야 한다.

이하, 실험을 통하여, 상/하 자극들(102,103) 간의 간격 및 마그넷(101a,101b)의 크기가 왜 적절하게 결정되어야 하고, 그 임계적 의의는 무엇인지에 대해 살펴본다.

살펴보기에 앞서, 실험은 2단계로 진행되었으며, 구분하기 위해 상기 각 실험을 제1, 2 실험으로 명한다.

먼저, 제1실험에 대해 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 소형화된 마그네트론을 제작하기 위하여 수행된 제1실험의 결과를 나타낸 그래프이다.

상세히, 상기 제1실험은 상기 상자극(102) 및 하자극(103) 사이의 간격(PG)이 10.5~11.5 mm, 상기 자극들의 외측 직경(PO)은 34~35 mm인 조건에서 수행되었다. 이때, 상기 상자극(102)의 상단과 상기 하자극(103)의 하단 사이의 간격(PP)은 23.5 mm를 유지함이 바람직하다. 상기 자극들의 크기 및 간격은 종래기술에 비하여 소형화된 마그네트론에 적용되는 수치이다.

여기서, 도 3은 상기 마그넷들(101a,101b)의 내측 직경(MI)이 19~21 mm 이고, 상기 상측 및 하측 마그넷의 두께(MT1,MT2)가 11.5~12.5 mm 인 경우에 상기 마그넷의 외측 직경(MO)의 크기에 따른 평균 자기장의 밀도의 변화를 나타낸 그래프이다. 여기서, 상기 고주파 에너지의 출력은 상기 평균 자기장의 밀도에 비례하는 관계를 갖는다.

도 3에서 보는 바와 같이, 마그넷(101a,101b)의 외측 직경(MO)이 52 mm가 될 때까지는 상기 직경(MO)이 증가함에 따라서 자기장의 밀도가 급격히 증가된다. 이를 반대로 해석하면, 상기 직경(MO)이 52 mm 이하인 경우에는 상기 직경(MO)이 감소됨에 따라서 자기장 밀도의 크기가 급격히 감소된다.

여기서, 상기 마그네트론은 500~1000 와트(W) 정도의 실용화될 수 있는 출력을 필요로 하는데, 이를 위해서는 상기 자기장 밀도가 1700 가우스(G) 이상이어야 한다. 도시된 바와 같이, 상기 마그넷의 외측 직경(MO)이 최소한 50 mm 이상인 경우에 상기 자기장의 밀도가 1700 가우스 이상이 될 수 있다.

한편, 상기 마그넷의 외측 직경(MO)이 54 mm를 넘어서게 되면 상기 직경(MO)이 증가되더라도 자기장의 밀도는 거의 동일한 수준을 유지하고, 상기 직경(MO)이 70 mm를 초과하는 경우에는 상기 직경(MO)이 증가됨에 따라서 상기 자기장의 밀도가 오히려 감소된다. 따라서, 상기 마그넷의 외측 직경(MO)이 54 mm를 초과하는 경우에는, 상기 마그넷의 외측 직경(MO)을 증가시켜도 자기장의 밀도가 거의 일정하게 유지되는 임계적 특성을 보여 준다.

그 이유를 고찰한 결과, 이는 상기 직경(MO)이 일정수준 이상으로 증가되면 누설 자기장이 증가되어 발생되는 자력 손실에 기인하는 것이다. 상세히, 도 2를 참조하면, 상기 마그넷(101a,101b)과 자극이 겹치지 않는 부분(A)에서 1차적인 자력의 누설이 발생된다.

또한, 상기 마그넷(101a,101b)의 측면과 상/하 요크(104,105)의 사이에는 소정의 공간이 형성되는데, 상기 마그넷(101a,101b)의 외측 직경(MO)이 두꺼워짐에 따라서 상기 공간이 좁은 경우에 상기 공간에서 맴돌이 현상이 발생되어 자력이 누 설된다. 상기 맴돌이 형상의 발생을 방지하기 위하여, 상기 요크(104,105)와 마그넷(101a,101b)의 측면 사이의 간격을 크게 하는 경우에는 상기 마그네트론의 전체적인 부피가 커지는 문제점이 있다.

따라서, 상기 마그넷(101a,101b)의 외측 직경(MO)을 54 mm 이상으로 하는 것은 불필요하게 마그네트론의 크기를 증대시키는 것이 되고, 재료비를 낭비하는 요인이 된다.

전술한 바와 같이, 상기 상측 및 하측 마그넷의 두께(MT1,MT2)가 11.5~12.5 mm 인 경우에 상기 마그네트론에서 발생되는 고주파 에너지를 일정수준 이상으로 유지하기 위해서는 상기 마그넷의 외측 직경(MO)을 50~70 mm로 하여야 한다. 또한, 상기 마그네트론을 소형화하기 위해서는 상기 마그넷의 외측 직경(MO)을 50~54 mm로 함이 바람직하다. 이를 통하여, 상기 마그네트론이 원하는 출력의 고주파 에너지를 발생시킴과 동시에 소형화할 수 있다.

다음으로 제2실험에 대하여 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명에 따른 소형화된 마그네트론을 제작하기 위하여 수행된 제2실험의 결과를 나타낸 그래프이다.

여기서, 상기 제2실험은 상기 제1실험과 마찬가지로 상기 상자극(102) 및 하자극(103) 사이의 간격(PG)이 10.5~11.5 mm, 상기 자극들의 외측 직경(PO)은 34~35 mm인 조건에서 수행되었다. 이때, 상기 상자극(102)의 상단과 상기 하자극(103)의 하단 사이의 간격은 23.5 mm를 유지함이 바람직하다. 또한, 상기 마그넷의 내측 직경(MI)이 19~21 mm 이다.

한편, 상기 제2실험에서는 상측 마그넷(101a)과 하측 마그넷(101b)의 두께(MT1,MT2)를 서로 다르게 구성하였다. 즉, 도 4는 상측 마그넷(101a)의 두께(MT1)가 11.5~12.5 mm 이고 하측 마그넷의 두께(MT2)가 9.5~10.5 mm 인 경우에, 상기 마그넷들(101a,101b)의 외측 직경(MO)의 크기에 따른 평균 자기장의 밀도의 변화를 나타낸 그래프이다. 여기서, 상기 고주파 에너지의 출력은 상기 평균 자기장의 밀도에 비례하는 관계를 갖는다.

도 3에서 보는 바와 같이, 마그넷(101a,101b)의 외측 직경(MO)이 52 mm가 될 때까지는 상기 직경(MO)이 증가함에 따라서 자기장의 밀도가 급격히 증가된다. 이를 반대로 해석하면, 상기 직경(MO)이 52 mm 이하인 경우에는 상기 직경(MO)이 감소됨에 따라서 자기장 밀도의 크기가 급격히 감소된다.

여기서, 상기 마그네트론은 500~1000 와트(W) 정도의 실용화될 수 있는 출력을 필요로 하는데, 이를 위해서는 상기 자기장 밀도가 1700 가우스(G) 이상이어야 한다. 도시된 바와 같이, 상기 마그넷(101a,101b)의 외측 직경(MO)이 최소한 51 mm 이상인 경우에 상기 자기장의 밀도가 1700 가우스 이상이 될 수 있다.

한편, 상기 마그넷의 외측 직경(MO)이 54 mm를 넘어서게 되면 상기 직경(MO)이 증가되더라도 자기장의 밀도는 거의 동일한 수준을 유지하고, 상기 직경(MO)이 70 mm를 초과하는 경우에는 상기 직경(MO)이 증가됨에 따라서 상기 자기장의 밀도가 오히려 감소된다. 따라서, 상기 마그넷의 외측 직경(MO)이 54 mm를 초과하는 경우에는, 상기 마그넷(101a,101b)의 크기를 아무리 증가시켜도 자기장의 밀도가 거의 일정하게 유지되는 임계적 특성을 보여 준다.

그 이유는 상기 외측 직경(MO)이 54 mm를 초과하는 경우에 발생되는 자력의 누설에 기인하는 것으로서, 이는 제1실험의 결과를 통하여 전술한 바와 같으므로 설명을 생략한다.

따라서, 상기 마그넷의 외측 직경(MO)을 54 mm 이상으로 하는 것은 불필요하게 마그네트론의 크기를 증대시키는 것이 되고, 재료비를 낭비하는 요인이 된다.

전술한 바와 같이, 상측 마그넷(101a)의 두께(MT1)가 11.5~12.5 mm 이고 하측 마그넷(101b)의 두께(MT2)가 9.5~10.5 mm 인 경우에, 상기 마그네트론에서 발생되는 고주파 에너지를 일정수준 이상으로 유지하기 위해서는 상기 마그넷(101a,101b)의 외측 직경(MO)을 51~70 mm로 함이 바람직하다. 또한, 상기 마그네트론을 소형화하기 위해서는 상기 마그넷의 외측 직경(MO)을 51~54 mm로 함이 바람직하다. 이를 통하여, 상기 마그네트론이 원하는 출력의 고주파 에너지를 발생시킴과 동시에 소형화할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 소형화된 마그네트론을 제공함에 따라, 종래의 마그네트론의 성능을 유지하면서도 전체적인 크기가 20% 가량 감소되어 제품단가를 절감시킬 수 있으며, 시장경력 확보에 기여할 수 있다. 그리고, 상기 마그네트론이 차지하는 공간이 감소되어, 전자레인지 등의 전장실 내부 공간을 보다 효율적으로 활용할 수 있다.

이상 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 기술 범위 내에서 상기 본 발명의 상세한 설명과 다른 형태의 실시예들을 구현할 수 있을 것 이다. 여기서 본 발명의 본질적 기술 범위는 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 소형화된 마그네트론은 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 상기 마그네트론은 실용적으로 적용될 수 있는 고주파 에너지 출력을 발생시키면서도 소형화될 수 있다. 따라서, 재료비를 절감할 수 있으며 최적의 성능을 제공할 수 있다.

둘째, 상기 마그네트론이 원하는 성능을 가지면서 소형화됨에 따라, 장착공간인 전장실 등의 내부 공간을 보다 효과적으로 활용할 수 있다.

또한, 본 발명의 상세한 설명에 언급된 모든 효과를 다 포함한다.

Claims (5)

1. 아노드 실린더와, 상기 아노드 실린더의 상하부에 각각 구비된 상측 및 하측 마그넷과, 상기 마그넷과 연결된 상자극 및 하자극을 포함하는 마그네트론에 있어서,

   상기 마그넷의 내측 직경이 19~21 mm 이고, 상기 마그넷의 두께가 11.5~12.5 mm 인 경우에 상기 마그넷의 외측 직경은 50~54 mm 인 것을 특징으로 하는 마그네트론.
2. 아노드 실린더와, 상기 아노드 실린더의 상하부에 각각 구비된 상측 및 하측 마그넷과, 상기 마그넷과 연결된 상자극 및 하자극을 포함하는 마그네트론에 있어서,

   상기 마그넷의 내측 직경이 19~21 mm, 상기 상측 마그넷의 두께는 11.5~12.5 mm, 상기 하측 마그넷의 두께는 9.5~10.5 mm 인 경우에 상기 마그넷의 외측 직경은 51~54 mm 인 것을 특징으로 하는 마그네트론.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 상자극 및 하자극 사이의 간격은 10.5~11.5 mm 인 것을 특징으로 하는 마그네트론.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 자극들의 외측 직경은 34~35 mm 인 것을 특징으로 하는 마그네트론.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 마그넷은 페라이트계 재질로 이루어짐을 특징으로 하는 마그네트론.

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