KR100782393B1 - 광섬유모재 잉곳의 제조방법 - Google Patents

광섬유모재 잉곳의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 우수한 모재 잉곳 진원도와 코어부 편심율을 보유하고, 얻어지는 광섬유의 접속손실, 코어부 편심율이 우수하고, 컷오프파장이 균일한 것으로 되는 모재 잉곳을 단시간에 제조할 수 있는 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 하는 것으로, 출발코어부재에 검댕을 퇴적시키고, 탈수·소결 유리화한 후, 회전시키면서 표면을 연삭가공하는 광섬유모재 잉곳의 제조방법에 있어서, 연삭가공 전에 모재 잉곳(14)의 길이방향에 따른 복수개소에서 코어의 위치를 측정하고, 상기 복수곳간의 코어의 위치는 추정계산함으로써 모재 잉곳(14)의 길이방향에 걸친 모재 잉곳(14)의 중심과 코어중심이 일치하도록 모재 잉곳(14)의 마무리치수를 설계한 후, 상기 설계에 기초하여 모재 잉곳(14)의 외주를 연삭하여 마무리하는 것을 특징으로 하고 있다.

Description

광섬유모재 잉곳의 제조방법{A METHOD OF MANUFACTURING A PREFORM INGOT FOR OPTICAL FIBER}
도 1은 검댕 퇴적장치를 나타내는 개략정면도,
도 2는 본 발명에 의한 연삭가공의 개략을 확대하여 나타내는 개략단면도,
도 3은 원통연삭장치를 사용하여 다날연삭하는 모습을 나타내는 개략정면도,
도 4는 모재 잉곳의 연삭부를 확대하여 나타내는 부분 개략평면도이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
1 : 더미부 2 : 출발코어부재
3 : 검댕 4 : 다공질 모재
5 : 회전구동부 6 : 버너
7 : 버너가이드기구 8 : 버너트래버스용 모터
9 : 배기후드 10 : 밀폐형 반응로
11 : 연삭전의 모재 잉곳 12 : 숫돌
13 : 연삭후의 모재 잉곳 14 : 모재 잉곳
15 : 원통연삭기 16a, 16b : 척 지지부
17a, 17b : 척 18, 19, 20 : 다이아몬드휠
본 발명은 우수한 모재 잉곳 진원도와 코어부 편심율을 보유하는 광섬유모재 잉곳(이하, 단지 모재 잉곳이라 칭한다)의 제조방법에 관한 것이다.
모재 잉곳은, 예를 들면 OVD(Outside Vapor Deposition)(외부기상증착)법에 의해 출발코어부재의 표면에 원료가스를 산수소 화염속에서 가수분해시켜서 생성한 검댕(유리미립자)을 퇴적시켜서 클래드부를 형성하고, 탈수·소결유리화 등의 공정을 거쳐 제조된다.
OVD법에 있어서는, 출발코어부재 표면으로의 검댕의 퇴적속도를 향상시키는 방법으로서, 원료가스를 화염 가수분해시켜서 검댕을 퇴적시키는 버너를 대구경화하는 방법이나, 버너의 수를 증가시키는 등의 방법이 일반적으로 알려져 있다.
또, OVD법으로 생산성을 높이는 기술로서, 코어부재의 길이를 길게 하고, 모재 잉곳의 제품으로 되는 직동부의 비율을 높이는 방법이 알려져 있다.
원료가스를 공급하는 버너를 대구경화 하여 퇴적속도를 향상시키는 방법에는, 출발코어부재의 표면에 검댕을 퇴적시키는 초기공정에 있어서 출발코어부재로의 검댕의 부착율이 매우 낮다는 문제가 있다. 또한, 대구경화한 버너를 복수개 사용하면 화염끼리의 간섭이 있고, 퇴적효율을 생각만큼 높일 수 없다는 문제가 있었다.
버너의 수를 증가하는 방법은, 버너가 복수개 있음으로써 퇴적된 검댕체의 표면에 요철을 발생한다. 특히, 원료가스를 증량하여 고속도 퇴적을 행하면 현저하 게 요철을 발생한다는 문제가 있다. 그 결과, 얻어진 광섬유에는 양호한 광학특성, 특히 단일모드 광섬유의 경우, 원하는 컷오프파장이나 분산파장을 구비하는 것이 불가능하다.
한편, 코어부재의 길이를 길게 하여 모재 잉곳의 제품으로 되는 직동부의 비율을 높이는 방법은, 코어부재의 길이가 길기 때문에 고온에서의 검댕 퇴적중에 굽어짐이 발생하여 모재 잉곳으로서 바람직하지 않은 형상으로 되기 쉽다는 문제가 있다.
상기 모재 잉곳의 요철을 감소시켜 코어부를 모재 잉곳의 중심으로 오게 하는 방법으로서, 코어부의 회전축과 모재 잉곳의 회전축을 합쳐서 연삭가공하는 방법이 알려져 있다(일본국 특허공개 평9-328328호 공보 및 특허공개 2000-47039호 공보 참조). 그러나, 이 방법은 코어부가 굽어져 있는 경우에는 모재 잉곳의 전체길이에 걸쳐서 코어부와 모재 잉곳의 회전축을 합치는 것이 불가능하다는 문제가 있다.
또한, 마무리시의 직경이 길이방향에 걸쳐서 일정하기 때문에, 코어지름의 변동에 따라 최종제품인 광섬유의 컷오프파장이 흩어진다는 문제가 있었다. 또, 코어부가 모재 잉곳의 한쪽에 치우쳐 있으면, 이것을 방사하여 얻은 광섬유 케이블을 부설(敷設)할 때의 광섬유 융착 접속작업에 있어서 접속손실 등의 문제가 발생한다.
본 발명은 이와 같은 문제점에 감안하여 이루어진 것으로, 우수한 모재 잉곳의 진원도와 코어부 편심율을 보유하고, 그 결과, 얻어지는 광섬유가 접속손실, 코 어부 편심율이 우수하고, 컷오프파장이 균일한 것으로 되는 모재 잉곳을 단시간에 제조할 수 있는 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 본 발명의 모재 잉곳의 제조방법은, 출발코어부재에 검댕을 퇴적시켜 탈수·소결유리화 한 후, 회전시키면서 표면을 연삭가공하는 광섬유모재 잉곳의 제조방법에 있어서, 연삭가공 전에 모재 잉곳의 길이방향에 따른 복수개소에서 코어의 위치를 측정하고, 상기 복수개소간의 코어의 위치는 추정계산함으로써 모재 잉곳의 길이방향에 걸쳐서 모재 잉곳의 중심과 코어중심이 일치하도록 모재 잉곳의 마무리치수의 설계를 행한 후, 상기 설계에 기초하여 모재 잉곳의 외주를 연삭하여 마무리하는 것을 특징으로 하고 있다. 상기 코어 위치의 추정계산은 최소제곱법에 의한 것이 바람직하다.
또한, 코어의 위치를 측정하는 개소는 20개소 이상의 복수개소로 한다. 측정개소가 20개소보다 적으면, 얻어지는 모재 잉곳의 중심과 코어중심의 일치정밀도가 저하한다. 측정개소의 수는 모재 잉곳의 길이에 따라서도 다르지만, 바람직하게는 30개소 이상이다.
또, 모재 잉곳의 마무리치수를 설계할 때에, 상기 모재 잉곳에서 얻어지는 광섬유의 컷오프파장이 모재 잉곳의 길이방향에 걸쳐서 일치하도록 모재 잉곳의 길이방향에 걸쳐서 일정한 추정 컷오프파장으로 되도록 설계하는 것이 바람직하다.
연삭가공은 조연삭을 행한 후, 마무리연삭을 행하는 것이 바람직하고, 또, 복수의 숫돌을 병렬로 배치하여 행하는 것도 생산속도 향상을 위해서 바람직한 형태이다. 그 경우, 조연삭용 숫돌 1~2개와 마무리연삭용 숫돌 1~2개를 병렬로 배치하여 행하는 것이 좋다.
이상 서술한 바와 같이, 모재 잉곳의 외주를 연삭가공함에 있어서, 모재 잉곳의 길이방향에 따른 복수개소에서 코어의 위치를 측정하고, 상기 복수개소간의 코어의 위치는 추정계산함으로써, 모재 잉곳의 중심과 코어중심이 모재 잉곳의 길이방향에 걸쳐서 일치하도록 모재 잉곳의 마무리치수의 설계를 행한 후, 상기 설계에 기초하여 모재 잉곳의 외주를 연삭함으로써 표면에 요철이 없는 높은 진원도를 보유하는 모재 잉곳이 얻어질 뿐만 아니라, 코어중심을 모재 잉곳의 중심에 정확히 위치시키는 것이 가능하게 된다.
또한, 마무리치수의 설계에 있어서, 상기 모재 잉곳으로부터 얻어지는 광섬유의 추정 컷오프파장을 일정값으로 하여 설계를 행하면 된다.
이와 같이 하여 얻어진 모재 잉곳을 방사하여 얻어지는 광섬유, 특히 단일모드 광섬유는, 원하는 컷오프파장이나 분산특성 등이 우수한 광학특성을 보유하고 있을 뿐만 아니라, 종래문제였던 광섬유 케이블의 부설작업시에 발생하는 융착 접속손실 등의 광학특성상의 문제도 해결되는 것을 알 수 있었다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 사용하여 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.
도 1은, 검댕 퇴적장치를 나타내는 개략정면도이고, 도 2는 본 발명에 의한 연삭가공의 개략을 확대하여 나타내는 개략단면도, 도 3은 원통연삭장치를 사용하여 다날연삭하는 모습을 나타내는 개략정면도이며, 도 4는 모재 잉곳의 연삭부를 확대하여 나타내는 부분 개략평면도이다.
모재 잉곳을 제조하는데는, 예를 들면 도 1에 나타낸 바와 같이, OVD(외부기상증착)법에 의해 우선 더미부(1)로 파지되어 회전하는 출발코어부재(2)의 주위에 검댕(3)을 퇴적시킴으로써 검댕 퇴적체인 다공질 모재(4)가 제조된다.
검댕(3)을 퇴적시키는 방법은 특별히 한정되지 않지만, 출발코어부재(2)를 회전구동부(5)에 부착하고 이것을 회전시키면서 버너(6)로 SiCl4 등의 원료가스, 연소가스 등을 내뿜어 산수소 화염속에서 가수분해시킴으로써 행해진다. 또한, 이들 가스의 공급속도는 검댕의 부착성 등을 고려하여 서서히 증가시키는 것이 바람직하다.
버너(6)로부터 출발코어부재(2)로의 검댕(3)의 분사는, 출발코어부재(2)의 길이방향에 따라서 병설(倂設)된 버너가이드기구(7)상에 설치된 버너(6)를 버너트래버스용 모터(8)에 의해서 좌우로 슬라이드시킴으로써 출발코어부재(2)의 주위에 검댕(3)의 퇴적이 행해진다. 또한, 부호 9는 배기후드, 부호 10은 밀폐형 반응로이다.
우선, 검댕(3)을 소정의 사이즈에 달하기까지 퇴적시켜서 다공질모재(4)를 형성한 후, 탈수·소결유리화 하여 모재 잉곳이 제조된다. 탈수·소결유리화는 다공질모재(4)를 예를 들면 소결로에 넣어서 행할 수 있다.
얻어진 모재 잉곳은 길이방향에 따른 복수개소에서 코어위치를 프리폼 분석기(Analyzer)나 편향유리를 구비한 측정기로 측정한다. 이들 복수개소간의 측정하지 않는 부분에 대해서는, 최소제곱법에 의해 추정계산한다. 다음에, 설정된 컷오프파장으로 되도록 길이방향에 걸쳐서 마무리치수가 설계된다. 이어서, 모재 잉곳은 연삭가공에 의해 평활하게 된다.
본 발명의 연삭가공은 도 2에 나타낸 바와 같이, 연삭전의 모재 잉곳(11)의 회전중심(O1)에 대하여 이 코어중심(O2)은 중심이 치우친 위치에 있고, 연삭중, 편심에 의해서 회전하는 코어중심(O2)에 대하여 숫돌(12)을 도면에 나타내는 회전중심을 향하여 전후진시킴으로써 코어중심(O2)이 연삭후의 모재 잉곳(13)의 축중심으로 되고, 미리 설정된 치수의 모재 잉곳으로 되도록 연삭가공을 행한다. 모재 잉곳의 길이방향에 걸쳐서 동일한 조작을 행함으로써 코어부 편심이 없는 모재 잉곳이 얻어진다.
연삭장치는 종래 공지의 것을 사용할 수 있지만, 예를 들면 원통연삭장치를 사용하는 것이 바람직하고, 이것에 의해서 복수의 원통숫돌에 의한 동시연삭이 가능하게 된다.
그 때, 연삭시간을 단축하는데는 원통연삭가공을 눈금이 다른 복수의 원통숫돌을 사용한 다날연삭에 의해 행하면 된다. 예를 들면, 도 3, 도 4에 나타낸 바와 같이, 원통연삭기에 눈금이 다른 다이아몬드휠(18, 19, 20)을 부착하고, 원하는 코어/클래드비로 되기까지 이들 휠로 연삭을 행한다. 이렇게 함으로써, 먼저 눈금이 거친 앞부 휠(18)이 깊은 연삭을 행하고, 차례로 휠의 눈금을 미세하게 하여 가장 눈금이 미세한 뒷부 휠(20)로 연삭표면을 평활하게 함으로써 조연삭에서 미세연삭까지 동시에 행하는 것이 가능하게 된다.
상기 다날연삭에 의해서도 평활한 표면과 소망의 코어/클래드비를 보유하는 모재 잉곳이 얻어지지만, 또한 평활한 표면과 보다 정확한 코어/클래드비를 얻는데는 최후에 마무리연삭을 행하면 된다. 마무리연삭에서의 원통연삭가공은 다날연삭에 의하지 않아도 되고, 통상의 단일날에 의한 연삭이어도 된다. 또한, 마무리연삭은 1회만이어도 좋고, 또 필요에 따라서 복수회 반복하여도 된다.
본 발명의 모재 잉곳은 그 후 통상의 방법으로 연신하여 광섬유 프리폼으로 하고, 이어서 방사하여 광섬유로 할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 비교예를 들어서 설명한다.
(실시예)
출발코어부재(2)로서, 외경 25㎜Φ, 길이 1,200㎜의 싱글모드 광섬유용 석영유리를 사용하였다. 이것을 더미용 석영봉과 용접하여 도 1에 나타낸 밀폐형 반응로(10) 내에 설치된 회전구동부(5)에 부착하고, 40rpm으로 회전시켰다.
이어서, 구경 28㎜Φ의 다중관 산수소 화염버너(6)에 도시하지 않은 원료장치로 산소가스 75L/min, 수소가스 150L/min, 캐리어가스로서 산소가스 9L/min 및 원료가스의 SiCl4 40g/min을 도입하였다. 이 버너(6)를 버너트래버스용 모터(8)에 의해 버너가이드기구(7)상을 150㎜/min의 속도로 1,600㎜의 범위에서 왕복운동시키고, SiCl4의 화염 가수분해로 발생한 검댕을 출발코어부재(2)상에 퇴적시켰다. 배기가스는 배기후드(9)로부터 배출시켰다. 퇴적이 진행됨에 따라서 원료가스의 양을 증량하고, 24시간후에 외경이 240㎜Φ의 검댕 퇴적체를 얻었다. 퇴적종료 직전에는 원료공급장치로부터 산소가스 180L/min, 수소가스 360L/min, 캐리어가스로서 산소가스 20L/min, 원료가스의 SiCl4 100g/min이 버너(6)에 공급되어 있다. 평균퇴적속도는 31g/min이었다.
얻어진 검댕 퇴적체의 표면에는 요철이 나선상으로 존재하고 있는 것이 확인되었다. 이 검댕 퇴적체를 소각로에 넣고, 탈수·소결유리화하여 외경 135㎜Φ의 투명한 모재 잉곳이 얻어졌지만, 그 표면을 육안 관찰하면 요철이 나선상으로 남아 있었다. 요철의 깊이는 최대로 1.05㎜이었다.
이어서, 상기 모재 잉곳(14)을 도 3에 나타낸 원통연삭기(15)의 척 지지부(16a, 16b)에 지지된 척(17a, 17b)에 부착하고, 편향유리를 사용한 광학계측기로 모재 잉곳(14)을 회전시키면서 모재 잉곳을 따라서 50개소에서 코어부의 위치계측을 행하였다.
다음에, 각 계측장소 사이의 코어위치를 최소제곱법에 의해 추정계산하고, 모재 잉곳의 길이방향에 걸쳐서 코어부 위치를 결정하였다. 이어서, 얻어지는 광섬유의 추정 컷오프파장이 1.27㎛로 되도록 모재 잉곳의 길이방향에 걸쳐서 마무리직경을 설계하였다. 얻어진 설계값을 도 3의 원통연삭기의 제어프로그램에 입력하고 연삭을 행하였다.
연삭에 사용하는 다이아몬드휠(18)에는 눈금의 조도 #60번의 것을 사용하고, 최대 연삭깊이 0.75㎜로 세트하였다. 마찬가지로, 다이아몬드휠(19)은 눈금의 조도 #140번의 것을 사용하고, 최대 연삭깊이는 다이아몬드휠(18)의 연삭면보다 0.3㎜ 더 깊게 세트하고, 또한 다이아몬드휠(20)에는 눈금의 조도 #600번을 것을 사용하고, 최대 연삭깊이는 다이아몬드휠(19)의 연삭면보다 0.05㎜ 더 깊게 되도록 휠 위치를 세트하였다. 이 상태에서 모재 잉곳(14)을 이송속도 50㎜/min으로 연삭부를 수냉하면서 1회 연삭하였다. 이 연삭에 있어서는 각 다이아몬드휠을 회전중심을 향하여 전후진시켜 상기 각 복수개소의 설정치수로 마무리하도록 연삭하였다.
연삭에 의해서 모재 잉곳(14)의 표면은 거의 평활하게 마무리되고, 코어부 중심이 모재 잉곳의 중심에 거의 일치하는데 이르렀다. 얻어진 모재 잉곳에 대해서 다시 상기와 같이 하여, 모재 잉곳의 길이방향에 걸쳐서 마무리치수를 결정하였다. 이어서, 다시 상기와 같이 하여 연삭을 행하였다. 단, 눈금의 조도 #600번의 다이아몬드휠(20)만을 사용하여 최대 연삭깊이 0.05㎜, 모재 잉곳의 이송속도 50㎜/min으로 1회 연삭하였다.
얻어진 모재 잉곳 표면의 요철의 깊이는 최대로 0.01㎜이었다.
이와 같이 하여 얻어진 모재 잉곳을 전기로 속에서 직경 45㎜Φ로 연신하여 광섬유용 프리폼으로 하고, 이것을 인출장치(Drawing device)로 방사(紡絲)하여 외경 125㎛의 광섬유를 얻었다.
이 광섬유의 접속손실, 코어부 편심율 및 길이방향에서의 컷오프파장(λc)의 변동폭을 뒤에 후술하는 측정방법으로 측정하였더니, 표 1에 나타낸 바와 같이 양호한 결과가 얻어졌다.
(비교예)
우선, 실시예와 마찬가지로 하여, 탈수·소결유리화하여 외경 135㎜Φ의 투명한 모재 잉곳을 얻었다. 그 표면 요철의 깊이는 최대로 1.03㎜이었다. 또한, 실시예와 동일하게 하여 모재 잉곳의 50개소에서 코어부의 위치계측을 행하였다. 얻어진 계측값의 평균값으로부터 코어 중심축을 추정함과 아울러, 얻어지는 광섬유의 컷오프파장이 1.27㎛로 되도록 모재 잉곳의 마무리 직경을 결정하였다.
다음에, 먼저 추정한 코어 중심축이 회전축과 일치하도록 모재 잉곳을 도 3의 원통연삭기에 설치하고, 실시와 동일한 연삭을 행하였다. 연삭중, 각 다이아몬드휠은 회전중심을 향하여 전후진하지 않고 일정한 위치를 유지하였다.
연삭후, 얻어진 모재 잉곳에 대하여 다시 동일한 마무리 직경결정조작을 행하여 동일한 연삭을 행하였다. 단, 금회의 연삭은 눈금의 조도 #600번의 다이아몬드휠(20)만을 사용하여 연삭깊이 0.05㎜, 모재 잉곳의 이송속도 50㎜/min으로 1회 연삭하였다.
얻어진 모재 잉곳의 표면 요철의 깊이는 최대로 0.01㎜이었다.
이와 같이 하여 얻어진 모재 잉곳을 실시예와 같이 하여 전기로에서 45㎜Φ으로 연신하여 광섬유용 프리폼으로 하고, 이것을 와이어 드로잉 벤치로 방사하여 외경 125㎛의 광섬유를 얻었다. 이 광섬유의 접속손실, 코어부 편심율 및 길이방향에서의 컷오프파장(λc)의 변동폭을 실시예와 같이 하여 측정하였더니, 표 1에 나타낸 바와 같이 접속손실, 코어부 편심율 및 컷오프파장(λc)의 변동폭이 큰 것이었다.
광섬유의 접속손실, 코어부 편심율 및 컷오프파장(λc)의 변동폭의 측정방법에 대해서는 이하와 같다.
a. 접속손실 : OTDR(Optical Time Domain Refractometory)법으로 측정하였다.
b. 코어부 편심율 : 광섬유구조 측정장치(Photon Kinetics사 제품, 「모델 2400」)에 의해 측정하였다.
c. λc의 변동폭 : λc 측정장치로 측정하고, 측정방법은 ITU-T G650에 준하였다.
Figure 112001014084675-pat00001
본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니고 예시이며, 본 발명의 특허청구의 범위에 기재된 기술사상과 실질적으로 동일한 구성을 보유하고, 동일한 작용효과를 얻는 것은 어떠한 것이어도 본 발명의 기술적 범주에 포함된다.
본 발명의 모재 잉곳의 제조방법은, 종래의 제조방법에 비하여 훨씬 짧은 시간에 평활한 표면과 소망하는 코어/클래드 직경 비율을 정확하게 보유하고, 우수한 코어부 편심율을 보유하는 모재 잉곳이 얻어진다. 그 결과, 얻어지는 광섬유는 양호한 광학특성을 보유하고, 특히 단일모드 광섬유는 소망의 접속손실, 코어부 편심율 및 컷오프파장의 균일성을 구비하고 있다.

Claims (6)

  1. 출발코어부재에 검댕을 퇴적시켜 탈수·소결 유리화한 후, 회전시키면서 표면을 연삭가공하는 광섬유모재 잉곳의 제조방법에 있어서, 연삭가공 전에 모재 잉곳의 길이방향을 따른 복수개소에서 코어의 위치를 측정하고, 상기 복수개소간의 코어의 위치를 추정계산함으로써, 모재 잉곳의 길이방향에 걸쳐서 모재 잉곳의 중심과 코어중심이 일치하도록 모재 잉곳의 마무리치수를 설계한 후, 상기 설계에 기초하여 모재 잉곳의 외주를 연삭하여 마무리하는 것을 특징으로 하는 광섬유모재 잉곳의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 코어의 위치를 측정하는 복수개소는 20개소 이상인 것을 특징으로 하는 광섬유모재 잉곳의 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 코어 위치의 추정계산은 최소제곱법에 의한 것을 특징으로 하는 광섬유모재 잉곳의 제조방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 모재 잉곳의 마무리치수의 설계시에, 상기 모재 잉곳에서 얻어지는 광섬유 추정 컷오프파장이 모재 잉곳의 길이방향에 걸쳐서 일치하도록 설계하는 것을 특징으로 하는 광섬유모재 잉곳의 제조방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연삭가공은 조연삭을 행한 후, 마무리연삭을 행하는 것을 특징으로 하는 광섬유모재 잉곳의 제조방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연삭가공은 복수의 숫돌을 병렬로 배치하여 행하는 것을 특징으로 하는 광섬유모재 잉곳의 제조방법.
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