KR100751594B1 - 플라즈마 가속장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도우넛 형상의 플라즈마 챔버를 구바하는 플라즈마 가속장치에 관한 것이다. 개선된 자기장 (및/또는) 전기장의 구조가 제공된다. 상기 구조는 아주 향상된 효과를 가져다 주는 다중층을 가지고 있다.

Description

플라즈마 가속장치{PLASMA ACCELERATOR ARRANGEMENT}

본 발명은 플라즈마 가속장치에 관한 것이다.

플라즈마 가속장치는 이미 알려져 있는 바, 특히 홀 장치로서로서 알려져 있다. 이러한 장치에는 이온화된 가스, 특히 희귀 가스가 플라즈마 챔버에 주입된다. 플라즈마 챔버는 본질적으로 중심의 길이 방향 축 둘레에 환형으로 형성되고, 길이 방향의 축에 평행한 주요 방출 방향으로 오픈되어 있다. 플라즈마 챔버의 끝에, 즉 방출 방향에 반대로 양극에 배열된다. 그리고, 전자의 소스인 음극은 플라즈마 챔버의 외부에 그에 대하여 방사상으로 떨어진 위치에 배열된다. 플라즈마 챔버의 벽은 비전도성 물질로 이루어진다. 자기 시스템은 플라즈마 챔버에서 제 1 내부 자극과 제 2 외부 자극에 의하여 거의 방사상으로 발생되는 자기장을 형성한다. 음극에서 생성되는 전자 흐름은 음극과 양극 사이의 전기장에서 가속되고, 플라즈마 챔버에 유입되며, 상기 플라즈마 챔버에서 전기 전위 구배에 대하여 오른편 각으로, 방사상 자기장에 대하여 오른편 각으로 편향되고, 추진 가스로 이온화된다. 이 과정에서 형성된 플라즈마로부터 양으로 대전된 이온은 방출 방향으로 가속된다. 음극에서 방출된 얼마간의 전자는 이온 빔을 중성으로 만드는데 사용된다.

이러한 타입의 장치는 특수한 자기장의 형상이 효능과 수명을 향상시키는 것 으로 알려져 있는데, 예컨대, EP 0 541 309 A1에 기술되어 있다. 반대로 극이 배열된 자기 극 껍질에 의하여 원형의 플라즈마 챔버의 방출 영역에서 서로 방사상으로 반대로 떨어져서 배열된 내부와 외부 코일 시스템은 플라즈마 챔버의 이 영역에서 거의 방사상의 자기장에 영향을 미친다. 원형의 전극을 가지는 플라즈마 챔버의 더 깊은 영역은 자기 격리장에 의하여 둘러싸여 있다.

US 5 847 493 A는 홀효과에 의한 플라즈마 가속기가 기술되어 있다. 각 경우에 있어서, 내부와 외부 코일 배열은 방출 방향으로 떨어져서 배열된 두개의 자기 극을 형성한다. 각각 방사상으로 반대의 극을 갖는 내부와 외부 코일 배열은 반대 방향으로 극이 배열되고, 차례로 거의 방사사의 자기장을 형성한다. 부분적으로 원뿔 형상의 극 껍질을 갖는 비슷한 플라즈마 가속 장치가 EP 0 982 976 A1에 기술되어 있다.

DE 198 28 704 A1은 플라즈마 가속 장치를 기술하고 있으며, 원상의 실린더형 챔버로 챔버 외부에서 가속된 집중 전자빔이 길이 방향으로 유입되고, 플라즈마 챔버 둘레에 영구적으로 떨어져서 배치되고, 교대로 배열된 층을 가지는 자석 배열에 의하여 축 방향으로 가이드된다.

본 발명의 목적은 특히 우주선을 위한 구동 소스로서 유리한 플라즈마 가속 장치를 개시하는 것이다.

청구항 제 1 항에 본 발명이 기술되어 있다. 상기 종속항들은 본 발명의 유리한 구체화와 개선점들을 포함하고 있다. 본 발명의 중요한 요점은 종래의 장치와 비교하여, 플라즈마 챔버를 침투하는 자기장의 근본적으로 다른 형상이다. 종래의 장치에 있어서는 도우넛 형상의 플라즈마 챔버에 대하여 내부에 극 시스템을, 외부에 제 2 극 시스템을 가지는 자기 시스템은 거의 방사상으로 배열되고, 플라즈마 챔버 뒤의 자기 회귀 경로를 통하여 자주 폐쇄되는 반면, 본 발명에 따른 자기 시스템은 플라즈마 챔버의 방사상 내부외 외부에 길이 방향, 다시 말해서 장치의 길이 방향 축에 평행한 방향으로 극 변화를 가지는 자석 배열을 포함하고 있다. 특히, 바람직한 장치에 있어서, 외부와 내부 자석 배열의 극 변화는 같은 방향으로 일어나고, 따라서 플라즈마 챔버에 의하여 방사상으로 분리되고 각각 두개의 분리된 자석 배열에 속한 동일한 자기 극은 서로 반대의 관계에 있다.

제 1 실시예에 있어서, 자기 시스템은 일단의 층으로 형성될 수 있고, 각 경우에 길이 방향으로 떨어져 있는 반대의 자기 극에 의하여 외부와 내부 자기 시스템의 극 변화를 가져온다. 각 경우에 있어서, 두개의 자기 극 중 적어도 하나는 플라즈마 챔버의 영역에서 길이 방향으로 위치되어 있다. 길이 방향으로 떨어져 있는 단일층 자기 시스템의 두 극은 바람직하게는 플라즈마 챔버의 길이 방향 범위 이내에 위치해 있다. 특히 바람직하게는 자기 시스템이 길이 방향으로 복수의 연속한 부시스템이 배치되도록 형성되는 것으로, 각각 외부와 내부 자석 배열을 가지고, 반대 방향으로 교대로 배열된다. 바람직하게는 방사상으로 반대의 극은 같은 방향을 가지고, 이것은 특히 유용한 전자 흐름의 배열을 갖는다.

본 발명에 따른 플라즈마 가속 장치의 특이한 장점은 플라즈마 챔버의 측벽 영역의 음극과 양극 사이에 여전히 적어도 하나의 전극 배열이 있고, 그 배열은 음극 전위와 양극 전위 사이의 중간 전위를 갖는 것이다. 그러한 전극에서, 음극과 양극 사이의 전위차의 부분으로부터 에너지를 얻는 전자는 차단될 수 있다. 음극과 양극 사이의 상기와 같은 전위차는 결과적으로 둘 또는 그 이상의 가속층으로 나누어질 수 있다. 전자벽 충돌의 결과에 의한 손실은 결과적으로 거의 줄일 수 있다. 특히 전기적 효율은 전위층의 수에 따라 증가한다. 길이 방향의 전극은 각 경우에 자기 시스템 또는 자기 부시스템의 극 단부 사이에 위치하는 것이 유리하다.

이하에서는 도면을 참조한 바람직한 실시예를 통하여 상세히 설명한다.

도 1은 종래의 플라즈마 챔버의 측단면도,

도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 챔버에서의 장의 경로와 전류를 도시한 도면,

도 3은 도 2에 따른 대칭 축 방향에서 본 단면도,

도 4는 단일층의 자석 배열을 사시도,

도 5는 존 발명의 바람직한 구조의 측단면도이다.

플라즈마 물리 분야에서, 전체적으로 양으로 대전된 이온과 비교하여 낮은 질량에 기인하는 전자의 고도의 운동에 의하여 플라즈마는 금속 컨덕터와 비슷하게 행동하고, 일정한 전위를 가진다는 것은 알려진 바이다.

그러나, 만약 플라즈마가 다른 전위를 갖는 두 전극 사이에 위치한다면, 전자는 플라즈마의 전위가 양극의 거의 일정한 전위를 가질 때 즉, 플라즈마가 장의 영향을 받지 않을 때까지 양극을 향하여 빠르게 움직이므로 그 플라즈마는 전극이 대략 양이온(양극)의 전위보다 높은 전위를 갖도록 한다. 알려진 바와 같이 단지 음극의 비교적 얇은 가장자리층에서만 음극 하강의 급경사의 전위 하강이 일어난다.

따라서, 플라즈마에서 다른 전위는 단지 플라즈마의 전도성이 등방성이 아닌 경우에만 유지될 수 있다. 전도성의 고도의 비등방성이 본 발명의 따른 장치에서는 유용하게 형성될 수 있다. 로렌츠 힘때문에 자기장 선에 대하여 반대로 움직이는 동안, 전자는 자기장 선에 대하여 오른편 각, 즉 운동 방향에 대하여 오른편 각을 갖는 힘을 받게 되므로, 비록 전자는 자기장 선의 방향에서 쉽게 이탈 할 수 있으나, 길이 방향으로 고도의 전기적 전도성 형성되고, 이 방향으로의 전위 구배는 쉽게 균형을 이룬다. 그러나, 자기장 선에 대하여 오른편 각을 갖는 전기장 요소에 의한 전자의 가속은 상기한 로렌츠 힘에 대응하여 작용하고, 따라서 전자는 자기장 선 둘레를 나선형으로 움직인다. 따라서, 자기장 선에 대한 오른편 각을 갖는 전기장은 전자 흐름에 의한 즉각적인 보상없이 발생될 수 있다. 그러한 전기장의 안정성에 대하여, 관계된 전기적 동일 전위면이 거의 자기장 선에 평행하게 연장되어 전기장과 자기장이 거의 크로스되는 것은 특히 효과적이다.

도 1에는, 홀 원리에 기초한 종래의 플라즈마 가속기의 기본적 구조(홀 추진기)가 도시되어 있다. 플라즈마 챔버(PK)는 중심의 대칭축(SA) 둘레에 도우넛 형상으로 형성되고, 절연 측벽(WA,WI)과 후벽(RW)을 가진다. 플라즈마 챔버는 대칭축(SA)에 평행한 길이 방향(LR)으로 한 방향만 오픈되고, 이 점에서 또한 가속 그리드를 가질 수 있다.

플라즈마 챔버의 외부에 음극(KA)이 전자의 소스로서 배열된다. 양극(AN)은 플라즈마 챔버의 방출구(AU)의 반대편 단부에 배치된다. 양극과 음극 사이의 전기장(E)은 플라즈마 챔버 내에서 길이 방향(LR)에 거의 평행하게 형성된다. 자기 시스템은 방사상 외부의 제 1 자기극(MA)(예컨대 북쪽극)과 방사상 내부의 자기극(MI)(예컨대 남쪽극)을 가지고 있다. 두개의 자기극은 대칭축(SA)에 거의 원형으로 대칭적으로 형성되고, 플라즈마 챔버 뒤의 자기 회귀 경로(MR)를 통하여 연결된다. 상기 자기 시스템은 플라즈마 챔버(PK)에서 거의 방사상으로 기원하는 자기장(B)을 형성한다.

음극에서 방출된 전자중 몇몇은 양극과 음극 사이의 전기장에서 가속되어, 플라즈마 챔버로 유인되며, 전자의 운동 방향에 대하여 오른편 각, 즉 자기장 선에 대하여 오른편 각, 다시 말해서 도시된 면에 대하여 오른편 각으로 자기장(B)에 의하여 편향된다. 대칭축 둘레 대하여 이 방향으로 강요된 전자의 흐름의 결과로 이러한 전자는 양극(AN)에 도착하기 전에 비교적 긴 시간동안 플라즈마 챔버에 남게 된다. 플라즈마 챔버 내에서의 운동중 전자는 플라즈마 챔버로 유입된 가스와 예컨대 제논(Xenon)과 충돌하여 양이온과 2차 전자를 발생한다. 상기 이온과 전자는 플라즈마 챔버 내에서 고도의 전도성 플라즈마를 형성한다. 이온은 챔버로부터 길이 방향으로 방출된다. 상기 장치의 대전을 피하기 위하여 음극(KA)으로 부터의 전자는 방출되는 이온 흐름에 부가되고, 따라서 방출된 플라즈마 흐름(PB)은 전기적으로 중성이다. 상기 장치의 여러 실시예가 알려져 있다.

도 2는 본 발명에 따른 다중층 배열을 도시한 것으로 거의 도우넛 형상(변화 가 가능하다)의 플라즈마 챔버에서 양극은 방출 방향과 떨어져 있는 후면벽 쪽에 배치된다. 도 2에 따른 장치에 있어서 중요한 요점은 자기 시스템은 외부와 내부 극으로 구성되는 것으로, 이들은 자기 회귀 경로 에 의하여 연결되나, 플라즈마 챔버에 대하여 외부에 자석 배열(RMA)을 가지고, 대칭축에 평행한 길이 방향으로 각각의 연속한 층(S0,S1,S2)에는 본질적으로 길이 방향(LR)으로 떨어져 있는 두개의 반대의 자기 극을 가진다. 동일한 방법으로 다중층 자석 배열(RMI)이 챔버의 내부에 방사상으로 배열되고, 각 층은 본질적으로 길이 방향(LR)으로 떨어져 있는 두개의 자기 극으로 구성된다. 각 단계의 두개의 자석 배열(RMA,RMI)은 서로 방사상으로 반대로 배치되고, 길이 방향으로는 거의 같은 범위를 갖는다. 두 자석 배열은 같은 배열, 즉 길이 방향(LR)으로 동일한 극 배열을 갖도록 배치된다. 결과적으로, 동일한 극(N-N과 S-S)은 방사상으로 서로 반대로 배치되고, 자기장은 본질적으로 두개의 자석 배열의 각각에 대하여 폐쇄된다. 방사상으로 반대의 자석 배열(RMA,RMI)로 부터 생긴 자기장의 경로는 결과적으로 플라즈마 챔버의 거의 중심부에 위치하는 중심면에 의하여 분리되는 것으로 보여진다. 자기장 선은 각 배열의 자기극 사이에서 평면일 필요는 없는 중심면을 통과하지 않고는 커브를 갖는 형상으로 연장된다. 따라서, 그러한 중심면의 방사상 측방향으로 두 자석 배열(RMA,RMI) 중 거의 하나로 부터의 자기장만 작용한다.

도 2에 따른 장치와 아주 다른점은 플라즈마 챔버의 자기장이 두개의 반대 극 사이에서 거의 일률적으로 움직이지 않는 것이다. 대신에 도우넛 형상의 플라즈마 챔버의 중심면의 동일한 방사상 측면에 있는 자기장 선이 폐쇄된다.

상기한 실시예는 또한 단지 단일층의 내부와 외부층을 갖는 자기 시스템에 적용될 수 있다. 그러한 단일 자기층은 예컨대 대칭축(SA)에 거의 평행하게 떨어져 있는 극을 가지는 동일 중심의 두개의 환형 영구 자석에 의하여 형성될 수 있다. 그러한 배열이 도 4에 도시되어 있다.

도 2에 따른 본 발명의 실시예에 바람직한 구체화가 부가되어 지는데, 둘 또는 그 이상의 그러한 배열이 길이 방향(LR)을 따라 차례로 배치된다. 길이 방향으로의 연속한 자석 배열의 반대의 극들이 동일한 형식이어서 연속한 자석 배열은 반대로 배치되고, 따라서 어떤 자기장도 단락이 일어나지 않으며, 상기한 장의 코스의 디자인은 거의 연속한 층 모두에 유지된다.

연속한 자기장은 먼저, 음극에서 방출되고 플라즈마 챔버로 유입되는 1차 전자의 집중의 효과를 가져오고, 둘째로 플라즈마 챔버에서 생성된 2차 전자의 한 층으로부터 다음 층으로의 유출을 막아준다.

플라즈마 가속 장치는 음극과 양극에 더하여, 음극의 전위와 양극의 전위 사이의 전위를 갖는 적어도 하나의 부가 전극이 제공되는 것이 효과적이다. 그러한 중간 전극은 적어도 하나의 측벽에 배치되고, 바람직하게는 플라즈마 챔버의 내부와 외부 측벽에 서로 반대인 두 부분의 전극이 배치된다. 특히 상기 전극은 길이 방향의 두개의 자기극 사이에 위치하는 것이 바람직하다. 도 2에 따른 배열에 있어서, 길이 방향의 복수의 층(S0,S1,S2)에는 각각의 경우의 자기 부시스템과 전극 시스템이 제공된다. 각 경우의 자기 부시스템은 이미 설명되고, 도 4에 기술된 바와 같이 내부와 외부 자기 링으로 구성된다. 연속된 층(S0,S1,S2) 각각의 부분 전극 시스템은 외부 전극 링(AA0,AA1,AA2)과 방사상으로 반대에 위치한 내부 전극 링(AI0,AI1,AI2)으로 구성되고, 길이 방향의 전극의 범위는 외부 전극 링과 내부 전극 링에서 거의 같다. 각 부시스템의 서로 반대의 전극 링들, 즉 다시 말해서 AA0와 AI0, AA1과 AI1, AA2와 AI2는 각각 동일한 전위를 갖고, 특히 AA0와 AI0는 전체 장치의 기초 전위를 가질 수 있다. 상기 전극에 의하여 형성되는 전기장은 플라즈마 형성의 위하여 중요한 영역에서 자기장 선에 거의 오른편 각을 갖도록 형성된다. 특히 연속한 층의 전극 사이의 전위 구배가 가장 큰 영역에서 자기장 선과 전기장 선은 거의 교차되도록 연장되고, 따라서 1차 전자의 경로를 따라 발생된 2차 전자는 전극의 어떤 직접적인 직접적인 단락도 발생시킬 수 없다. 2차 전자는 거의 도우넛 형상의 다중 층 자기 시스템의 자기장 선을 따라서만 움직일 수 있지 때문에 형성된 플라즈마 제트는 집중된 1차 전자의 실린더형 층 부피에 제한된다. 자기장이 자석 배열의 극의 향하여 거의 방사상으로 지시하는, 거의 축방향 자기장 요소의 사인 변화의 영역에서만 플라즈마의 급증이 발생한다.

도시된 배열에서, 그 결과는 연속된 전극 사이의 위치, 동시에 연속된 자석 배열의 극점과 일치하는 지점에서 길이 방향으로 플라즈마의 집중이다. 도 2에 도시된 배열에서, 연속된 층 각각의 플라즈마는 연속된 전극의 층 각각의 다른 전위에 의하여 연결될 수 있다. 이러한 목적을 위하여, 특히 길이 방향의 전극과 자석의 배열은 전극중심에 대하여 축방향 자기장의 최하 사이에서 측정되는, 거의 주기적인 전기장과 같이, 거의 주기적인 자기장의 물리적 각이 최고 +/-45°, 특히 +/-15°로 대체된다. 이 경우 자기장 선과 플라즈마 챔버의 측벽에 배열된 전극 사이 의 접촉이 이루어질 수 있고, 자기장 선을 따라 전자의 쉬운 이동의 결과로 플라즈마 전위는 이 층의 전극 전위에 셋팅될 수 있다. 따라서, 연속된 다른층의 플라즈마의 집중은 각각 다른 전위를 갖는다.

따라서, 축방향으로 가장 큰 전위 구배를 갖는 위치는 축방향으로 전기적으로 격리된 방사상 자기장 커브에 의하여 식별되는 플라즈마 층에 있다. 이 지점에서, 양이온의 가속은 거의 길이 방향에서 일어난다. 폐쇄 회로의 홀 전류로서 도우넛 구조에서 교차하는 충분한 2차 전자가 있다면, 거의 중성의 플라즈마는 길이 방향으로 플라즈마 챔버의 방출구 방향으로 가속된다. 그 과정에서 장치의 길이 방향(LR)에 있는 특정 위치의 층면에는, 도 2와 도 3에 도시된 바와 같이 반대방향의 다른 직경을 갖는 원형의 홀 전류들이(II,IA)이 형성된다.

전술된 거의 주기적인 자기와 전기 구조의 효과적인 페이즈 이동은 먼저 도 2에 따른 배열에 의하여, 전술된 최고 +/-45°, 특히 +/-15°에 의한 위치에 대하여 전술한 전극의 가능한 이동으로 이루어질 수 있다. 가능한 변형이 도 5에 도시되어 있는 바, 전극 층(Aa_i,AA_i+1,AI_i,AI_i+1)의 주기적인 길이는 연속한 자기 링의 두배이다. 그러한 배열은 또한 도 2에서 보다 두배의 길이를 가지고, 두개의 자기 부시스템과 전극 시스템을 가지는 층으로 나누어진다.

도 5에 도시된 배열에서, 전극이 연속한 자기 부시스템의 극점의 연결하는 영역에서 접촉부들이 형성되고, 그 영역에서 자기선을 따르는 2차 전자는 전극에 의하여 추출된다. 따라서, 접촉부가 플라즈마와 전극 사이에서 형성되고, 반면 길 이 방향으로 두개의 연속한 전극에 걸쳐서 위치하는 극점에는 높은 전위 구배를 가지는 격리 영역이 플라즈마에 형성된다.

길이 방향으로 많은 층을 가지는 자기 시스템의 다른 실시예에서 각 층에서 반대의 외부 자기 링과 내부 자기 링은 또한 반대의 극 배열이 제공되고, 따라서 각 층의 배열을 따라 도 2에 따른 길이 방향 부분은 자기 4분극 장을 형성한다. 본 발명과 요점을 같이 하는 다른 방법은 이러한 장치에 적당한 방법으로 적용될 수 있다. 도 3에서와 달리 같은 방향으로 움직이는 전류 흐름의 커브는 길이 방향에 대하여 오른편 각을 갖는 평면에 있다.

상기한 바와 이하의 청구항에 의한 본 발명의 특징들은 각각 또는 여러가지 결합에 의하여 유리하게 실행될 수 있다. 본 발명은 상기한 실시에에 한정되지 않고, 당업자의 지식 범위 내에서 다양한 방법으로 변형되어 질 수 있다. 특히, 대칭축(SA)에 대한 엄격한 대칭은 절대적으로 필요한 것은 아니다. 대신에 명확한 대칭은 대칭적인 코스에서 추가될 수 있다. 장과 전극 또는 자석 배열의 환상형은 필수적으로 환상의 실린더형을 표명하는 것은 아니고, 회전상 대칭에 의한 경우나, 길이 방향으로의 실린더형 코스에 의한 경우의 형상으로 부터 벗어날 수 있다.

Claims (8)

1. 음극과, 양극, 및 음극과 양극 사이에 배열되고 이온화 가능한 가스를 갖는 플라즈마 챔버를 구비하고;

   상기 플라즈마 챔버는 중심의 길이 방향 축 둘레에 환형으로 형성되어 있고, 양극으로부터 반대 방향에 있는 플라즈마 빔용 방출구를 구비하고, 외부와 내부 자석 배열을 가지는 자기 시스템을 구비하며, 상기 외부와 내부 자석 배열은 플라즈마 챔버에 의하여 방사상으로 분리되는; 방출 방향으로 플라즈마 빔을 생성하기 위한 플라즈마 가속장치에 있어서,

   길이 방향으로 각각 배열된 상기 외부와 내부 자석 배열은 모두 길이 방향으로 적어도 하나의 극변화를 가지고, 길이 방향으로의 상기 극변화는 양 자석 배열에서 같은 방향으로 발생하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가속장치.
2. 제 1 항에 있어서, 자석 배열 중 적어도 하나, 바람직하게는 양쪽의 자기극은 플라즈마 챔버의 길이 방향 범위의 영역에 위치하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가속 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 플라즈마 챔버의 적어도 하나의 측벽에는 전극 배열이 제공되고, 이 전극 배열은 전기적으로 음극과 양극의 전위 사이의 중간 전위로 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가속 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 전극 배열은 플라즈마 챔버의 마주하는 측벽에 배열된 적어도 두 파트의 전극으로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가속장치.
5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 전극은 자석 배열의 자기극 사이의 길이 방향으로 위치하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가속장치.
6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 길이 방향으로 각각 배열된 복수의 자석 배열에는 교대의 극 배열이 제공되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가속장치.
7. 제 6 항에 있어서, 길이 방향을 따라 차례로 배열되고, 단계적인 중간 전위로 연결되는 복수의 중간 전극이 플라즈마 챔버의 측벽에 배열되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가속장치.
8. 제 7 항에 있어서, 길이 방향의 중간 전극의 적어도 몇몇은 연속된 자석 배열의 극점을 부분적으로 또는 완전히 덮는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가속장치.

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