KR102476244B1 - 다수-개구형 전도 가열기 - Google Patents
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Abstract
일 실시형태에서, 시스템은 열이온 에미터, 및 열이온 에미터를 적어도 부분적으로 둘러싸는 가열기를 포함한다. 가열기는 열이온 에미터를 가열하도록 구성된다. 가열기는 제1 단부, 제1 단부에 대향되는 제2 단부, 및 제1 단부로부터 제2 단부까지 각각 연장되는 복수의 중공형 절연 관을 포함한다. 가열기는 또한, 중공형 절연 관의 각각을 통해서 연장되는 가열기 와이어를 포함한다. 가열기 와이어는 가열기 와이어를 통과하는 전류에 의해서 저항 가열되도록 구성된다.
Description
본 개시 내용은 일반적으로 가열기, 그리고 보다 구체적으로 다수-개구형 전도 가열기에 관한 것이다.
특정 장치는 적절한 동작을 위해서 매우 높은 온도까지 가열되어야 한다. 예를 들어, 열이온 에미터(thermionic emitter)는 플라즈마 장치를 위한 충분한 전자 전류를 방출하기 위해서 1600℃초과로 가열되어야 한다. 그러나, 그러한 장치를 위한 기존의 가열기는 고장나기 쉽고, 그 가열 능력이 제한되며, 수리가 어렵거나 불가능하다.
일 실시형태에서, 시스템은 캐소드 관을 포함하는 캐소드, 적어도 부분적으로 캐소드 관 내에 설치되는 열이온 에미터, 및 캐소드 관을 둘러싸고 열이온 에미터를 가열하도록 구성되는 그라파이트 가열기를 포함한다. 그라파이트 가열기는 중공형의 원형 실린더의 형상이다. 그라파이트 가열기는 제1 단부, 제1 단부에 대향되는 제2 단부, 제1 단부로부터 제2 단부까지 각각 연장되는 복수의 중공형 세라믹 절연 관, 및 중공형 세라믹 절연 관의 각각을 통해서 연장되는 가열기 와이어를 포함한다. 가열기 와이어는 가열기 와이어를 통과하는 전류에 의해서 저항 가열되도록 구성된다.
다른 실시형태에서, 시스템은 캐소드 관을 포함하는 캐소드, 적어도 부분적으로 캐소드 관 내에 설치되는 열이온 에미터, 및 캐소드 관을 둘러싸고 열이온 에미터를 가열하도록 구성되는 가열기를 포함한다. 가열기는 제1 단부, 제1 단부에 대향되는 제2 단부, 제1 단부로부터 제2 단부까지 각각 연장되는 복수의 중공형 절연 관, 및 중공형 절연 관의 각각을 통해서 연장되는 가열기 와이어를 포함한다. 가열기 와이어는 가열기 와이어를 통과하는 전류에 의해서 저항 가열되도록 구성된다.
다른 실시형태에서, 시스템은 열이온 에미터, 및 열이온 에미터를 적어도 부분적으로 둘러싸는 가열기를 포함한다. 가열기는 열이온 에미터를 가열하도록 구성된다. 가열기는 제1 단부, 제1 단부에 대향되는 제2 단부, 및 제1 단부로부터 제2 단부까지 각각 연장되는 복수의 중공형 절연 관을 포함한다. 가열기는 또한, 중공형 절연 관의 각각을 통해서 연장되는 가열기 와이어를 포함한다. 가열기 와이어는 가열기 와이어를 통과하는 전류에 의해서 저항 가열되도록 구성된다.
본 개시 내용은 전형적인 시스템보다 우수한 많은 기술적 장점을 제공한다. 일 예로서, 개시된 가열기는 다기능적이고 수리가 용이하다. 다른 예로서, 개시된 가열기는 증가된 가열을 열이온 에미터에 제공할 수 있고, 이는 성능 능력을 개선할 수 있다. 또한, 개시된 가열기를 수리할 수 있는 능력은 비용 및 중단 시간을 감소시킨다. 일부 실시형태에서, 가열기는 캐소드 관 내로 직접적으로 통합될 수 있고, 이는 성능 개선, 구성요소의 수의 감소, 및 비용 감소를 제공한다.
다른 기술적 장점은, 이하의 도면, 설명 및 청구항으로부터 당업자에 의해서 용이하게 이해될 수 있을 것이다. 또한, 구체적인 장점을 본원에서 열거하였지만, 여러 가지 실시형태가 열거된 장점의 전부, 일부를 포함하거나, 어느 것도 포함하지 않을 수 있다.
도 1은 특정 실시형태에 따른, 예시적인 캐소드를 도시한다.
도 2는 특정 실시형태에 따른, 도 1의 캐소드와 함께 이용될 수 있는 예시적인 가열기를 도시한다.
도 3은 특정 실시형태에 따른, 도 2의 가열기의 단부도를 도시한다.
도 4는 특정 실시형태에 따른, 도 2의 가열기의 단면도를 도시한다.
도 5는 특정 실시형태에 따른, 도 2의 가열기에 설치된 와이어를 도시한다.
도 2는 특정 실시형태에 따른, 도 1의 캐소드와 함께 이용될 수 있는 예시적인 가열기를 도시한다.
도 3은 특정 실시형태에 따른, 도 2의 가열기의 단부도를 도시한다.
도 4는 특정 실시형태에 따른, 도 2의 가열기의 단면도를 도시한다.
도 5는 특정 실시형태에 따른, 도 2의 가열기에 설치된 와이어를 도시한다.
열이온 에미터는 많은 상이한 플라즈마 장치들에서 중요한 전자 전류를 방출하기 위해서 사용된다. 예를 들어, 열이온 에미터는, 전자 공급원, 플라즈마 공급원, 및 우주선을 위한 전기 추진 장치(예를 들어, 이온 추진기)에서 사용되는 캐소드의 중요 구성요소이다. 열이온 에미터는, 충분한 전자 전류를 방출하기 위해서 극도로 높은 온도(예를 들어, ~ 1600℃까지 가열되어야 한다. 더 높은 온도는 더 많은 전자 방출, 더 높은 달성 가능 전류, 및 보다 양호한 플라즈마 장치 성능을 초래한다. 큰 방출 전류는 요구되는 항복 전압을 낮추고, 신속한 플라즈마 턴 온을 위해서도 중요하다.
열이온 에미터를 이용하는 장치는 전형적으로, 열이온 에미터를 방출 온도까지 가열하는 가열기를 포함한다. 그러나, 전형적인 가열기(예를 들어, 코일 가열기)는 고장 나기 쉽고, 전형적으로 그 온도 가열 능력에 있어서 제한된다(예를 들어, 전형적으로 약 1700℃로 제한된다). 또한, 대부분의 가열기 설계들은 수리하는 것이 매우 상이하거나, 전혀 수리할 수 없다.
열이온 에미터를 위한 전형적인 가열기의 이러한 그리고 다른 난제를 해결하기 위해서, 개시된 실시형태는, 단순한 설계 및 재료의 적절한 선택을 통해서 수리가 용이하면서도 고온에서 동작될 수 있는 가열기를 제공한다. 일부 실시형태에서, 열이온 에미터용 가열기는, 고온 세라믹 절연체를 유지하기 위해서 사용되는 다수-개구형 그라파이트 중공형 관이다. 일부 실시형태에서, 다수의 홀/개구가 그라파이트 관 내로 드릴 가공되어 세라믹 절연체 관을 위한 홀더로서의 역할을 한다. 일부 실시형태에서, 이러한 세라믹 절연체는 내화 금속 가열기 와이어를 수용한다. 가열기 와이어는 가열기 와이어를 통해서 흐르는 전류에 의해서 저항 가열되고, 이는 다시 전기 절연체, 그라파이트 관, 그리고 최종적으로 열이온 에미터를 가열한다. 가열기 와이어는, 일부 경우에, 각각의 세라믹 관을 통해서 구불구불하게 진입-및-진출하여 가열기 와이어를 위한 희망 저항을 달성한다. 일부 실시형태에서, 가열기의 효율을 개선하기 위해서, 가열기가 반사 호일에 의해서 둘러싸일 수 있다.
본 개시 내용의 보다 양호한 이해를 돕기 위해서, 특정 실시형태에 관한 이하의 예가 주어진다. 어떠한 방식으로도 이하의 실시형태가 본 개시 내용의 범위를 제한하거나 규정하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 유사한 번호들을 이용하여 유사한 그리고 상응하는 부품을 표시한 첨부 도면을 참조하는 것에 의해서, 본 개시 내용의 실시형태 및 그 장점이 가장 잘 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 개시 내용의 실시형태에 따른, 예시적인 캐소드(100)를 도시한다. 일부 실시형태에서, 캐소드(100)는 가열기(110), 캐소드 관(120), 및 부분적으로 또는 전체적으로 캐소드 관(120) 내에 설치되는 열이온 에미터(130)를 포함한다. 일부 실시형태에서, 가열기(110)는 캐소드 관(120)을 부분적으로 또는 전체적으로 둘러싼다. 다른 실시형태에서, 가열기(110)는 캐소드 관(120) 내에 통합된다.
일반적으로, 캐소드(100)는 전자 공급원, 플라즈마 공급원, 또는 우주선용 전기 추진 장치(예를 들어, 이온 추진기)와 같은 장치에서 사용될 수 있다. 가열기(110)는, 이온 추진기와 같은 플라즈마 장치에서 이용되는 열이온 에미터(130)로부터 전자 전류를 생성하기 위해서, 열이온 에미터(130)를 가열한다. 이하에서 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 가열기 와이어(114)가 가열기(110)의 절연 관(112)을 통해서 연장되어, 열이온 에미터(130)를 가열하고 열이온 에미터(130)로부터 희망 전자 전류를 생성한다. 그러나, 다른 유형의 전형적인 가열기와 달리, 가열기(110)는, 더 큰 가열 용량을 가능하게 하고 단순한 설계 및 적절한 재료 선택을 통해서 수리하기가 훨씬 더 용이한 구성을 제공한다. 결과적으로, 가열기(110)는 캐소드(100)와 같은 장치를 위한 성능 증가를 제공하고, 비용 및 동작 중단 시간을 감소시키는데 도움을 준다.
도 2는 특정 실시형태에 따른, 도 1의 캐소드(100)와 함께 이용될 수 있는 예시적인 가열기(110)를 도시한다. 또한, 특정 실시형태에 따라, 도 3은 가열기(100)의 단부도를 도시하고, 도 4는 가열기(100)의 단면도를 도시하며, 도 5는 가열기(110)에 설치된 가열기 와이어(114)를 도시한다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 가열기(110)의 일부 실시형태가 중공형의 원형 실린더의 형상을 갖는다. 다른 실시형태에서, 가열기(110)는 임의의 다른 적합한 형상일 수 있다. 일부 실시형태에서, 가열기(110)는 캐소드(100)(예를 들어, 캐소드 관(120))을 부분적으로 또는 전체적으로 둘러싼다. 가열기(110)의 표면(118)이 가열되고, 그에 의해서 적절한 동작을 위해 열이온 에미터(130)를 가열한다.
가열기(110)는, 가열기 와이어(114)를 유지하는 다수의 절연 관(112)을 포함한다. 예를 들어, 도시된 가열기(110)의 실시형태는 8개의 절연 관(112)(112A-112H)을 포함한다. 그러나, 다른 실시형태에서, 가열기(110)는, 특정 설계 및 가열 요건에 의해서 요구되는 바에 따른 임의의 다른 적합한 수의 절연 관(112)을 가질 수 있다. 또한, 절연 관(112)의 특정 배열이 도시되어 있지만, 임의의 다른 적합한 배열이 이용될 수 있다. 가열기(110)는 부분적으로 또는 전체적으로 그라파이트, 텅스텐, 몰리브덴, 레늄 등으로 형성될 수 있다.
일반적으로, 절연 관(112)은 가열기(110)의 제1 단부(210)로부터 가열기(110)의 제2 단부(220)까지 연장된다. 제2 단부(220)는 제1 단부(210)에 대향된다. 각각의 절연 관(112)은 세라믹과 같은 절연 재료로 형성되고, 가열기 와이어(114)를 위한 공간(116)을 포함한다. 일부 실시형태에서, 절연 관(112)은 중공형의 원형 실린더의 형상이고, 공간(116)은 실린더의 형상이다. 그러나, 절연 관(112) 및 공간(116)을 위한 임의의 다른 적합한 형상이 이용될 수 있다. 전형적으로, 가열기 설계의 동작 고장은 세라믹 절연 파괴에 의해서 주로 유발된다. 그러나, 고장 시에 단순히 절연 관(112) 및 가열기 와이어(114)를 제거하고 새로운 것을 삽입하는 것에 의해서, 가열기(110)는 용이하게 수리될 수 있다.
일부 실시형태에서, 절연 관(112)은 부분적으로 또는 전체적으로 세라믹으로 형성된다. 일부 실시형태에서, 세라믹은 알루미나, 샤팔(Shapal), 하프늄 산화물, 붕소 질화물, 마그네슘 산화물, 또는 임의의 다른 적합한 절연 재료일 수 있다. 일부 실시형태에서, 사용되는 세라믹은 특정 온도 범위를 위해서 선택된다. 예를 들어, 알루미나는 1650℃미만의 온도를 위해서 사용될 수 있고, 샤팔은 1900℃이하의 온도를 위해서 사용될 수 있으며, 하프늄 산화물은 2700℃이하의 온도를 위해서 사용될 수 있다.
가열기 와이어(114)는 일반적으로, 가열기 와이어(114)를 통과하는 전류에 의해서 저항 가열되는 임의의 적합한 금속이다. 일부 실시형태에서, 가열기 와이어(114)는 탄탈륨, 레늄, 텅스텐, 몰리브덴 등과 같은 임의의 적합한 내화 금속이다. 예를 들어, 절연 관(112)이 알루미나 절연체일 때 탄탈륨이 가열기 와이어(114)를 위해서 사용될 수 있는 반면, 절연 관(112)이 샤팔, 하프늄 산화물 또는 붕소 질화물일 때 레늄 와이어가 사용될 수 있다. 다른 예로서, 절연 관(112)이 샤팔 및 붕소 질화물일 때, 붕소 확산으로 인한 취성을 방지하기 위해서, 레늄이 가열기 와이어(114)를 위해서 사용될 수 있다.
일부 실시형태에서, 가열기 와이어(114)는, 도 5에 가장 잘 도시된 바와 같이, 가열기(110)의 각각의 절연 관(112)을 통해서 구불구불하게 전후로 진행한다. 이러한 예에서, 가열기 와이어(114)는 절연 관(112A)을 통해서 가열기(110)의 제2 단부(220)에 진입하고 절연 관(112A)을 통해서 이동하며, 그 제1 단부(210)에서 절연 관(112A)을 빠져 나온다. 이어서, 가열기 와이어(114)는 제1 단부(210)에서 절연 관(112B)에 진입하고 절연 관(112B)을 통해서 이동하고, 그 제2 단부(220)에서 절연 관(112B)을 빠져 나온다. 이어서, 가열기 와이어(114)는 제2 단부(220)에서 절연 관(112C)에 진입하고 절연 관(112C)을 통해서 이동하고, 그 제1 단부(210)에서 절연 관(112C)을 빠져 나온다. 이어서, 가열기 와이어(114)는 제1 단부(210)에서 절연 관(112D)에 진입하고 절연 관(112D)을 통해서 이동하고, 그 제2 단부(220)에서 절연 관(112D)을 빠져 나온다. 이어서, 가열기 와이어(114)는 제2 단부(220)에서 절연 관(112E)에 진입하고 절연 관(112E)을 통해서 이동하고, 그 제1 단부(210)에서 절연 관(112E)을 빠져 나온다. 이어서, 가열기 와이어(114)는 제1 단부(210)에서 절연 관(112F)에 진입하고 절연 관(112F)을 통해서 이동하고, 그 제2 단부(220)에서 절연 관(112F)을 빠져 나온다. 이어서, 가열기 와이어(114)는 제2 단부(220)에서 절연 관(112G)에 진입하고 절연 관(112G)을 통해서 이동하고, 그 제1 단부(210)에서 절연 관(112G)을 빠져 나온다. 이어서, 가열기 와이어(114)는 제1 단부(210)에서 절연 관(112H)에 진입하고 절연 관(112H)을 통해서 이동하고, 그 제2 단부(220)에서 절연 관(112H)을 빠져 나온다.
일부 실시형태에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 세라믹 비드(140)를 이용하여 가열기 와이어(114)의 노출된 부분을 보호할 수 있다. 특히, 하나 이상의 세라믹 비드(140)를 이용하여, 도시된 바와 같이, 가열기(110)의 양 단부에서(예를 들어, 제1 단부(210) 및 제2 단부(220)에서) 노출되는 가열기 와이어(114)의 부분을 부분적으로 또는 전체적으로 덮을 수 있다. 임의의 적합한 절연 재료가 세라믹 비드(140)를 위해서 이용될 수 있다. 또한, 임의의 적합한 형상 및 수의 세라믹 비드(140)가 이용될 수 있다.
일부 실시형태에서, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 호일(310)을 이용하여 가열기(110)의 효율을 높일 수 있다. 일부 실시형태에서, 호일(310)은 탄탈륨, 텅스텐, 또는 다른 내화 금속과 같은 임의의 적합한 반사 금속 재료이다.
일부 실시형태에서, 가열기(110)는, 캐소드 관(120)에 설치되는 별도의 구성요소이다. 다른 실시형태에서, 가열기(110)는 캐소드 관(120) 내에 직접적으로 형성된다. 가열기(110)가 캐소드 관(120) 내에 직접적으로 형성되는 실시형태에서, 절연 관(112)을 위한 홀이 캐소드 관(120) 내로 직접적으로 드릴 가공될 수 있다. 이어서, 절연 관(112)은 드릴 가공된 홀 내에 삽입될 수 있다. 이는 부품 수를 줄이고, 열 접촉을 개선하고, 캐소드(100)의 설계를 단순화하는 추가적인 장점을 제공한다.
여기에서 "또는"은 명시적으로 달리 표시되거나 문맥에 의해서 달리 표시되지 않는 한, 포괄적이며 배타적인 것이 아니다. 따라서, 본원에서 "A 또는 B"는 달리 명시적으로 표시되거나 문맥상 달리 표시되지 않는 한 "A, B 또는 둘 모두"를 의미한다. 또한, "및"은 달리 명시적으로 표시되거나 문맥상 달리 표시되지 않는 한, 결합 및 여러 개(several)이다. 따라서, 본원에서 "A 및 B"는 달리 명시적으로 표시되거나 문맥상 달리 표시되지 않는 한 "결합적인 또는 여러 개의, A 및 B"를 의미한다.
본 개시 내용의 범위는, 당업자가 이해할 수 있는 본원에서 설명되거나 예시된 예시적인 실시형태에 대한 모든 변화, 치환, 변경, 대체 및 수정을 포함한다. 본 개시 내용의 범위는 본원에서 설명되거나 예시된 예시적인 실시형태로 제한되지 않는다. 또한, 본 개시 내용이 특정 구성요소, 요소, 기능, 동작 또는 단계를 포함하는 것으로서 각각의 실시형태를 설명하고 예시하지만, 이러한 실시형태 중 임의의 실시형태는, 당업자가 이해할 수 있는, 본원의 임의의 곳에서 설명되거나 예시된 임의의 구성요소, 요소, 기능, 동작 또는 단계의 임의의 조합 또는 순열을 포함할 수 있다. 또한, 첨부된 청구항에서 특정 기능을 수행하도록 적응되거나, 배열되거나, 가능하게 하거나, 구성되거나, 가능해지거나, 동작 가능하거나, 동작적인 장치나 시스템 또는 장치나 시스템의 구성요소에 대한 언급은, 특정 기능이 활성화, 턴 온, 또는 언록킹(unlocked)되는지의 여부와 관계없이, 그러한 장치, 시스템 또는 구성요소가 적응되거나, 배열되거나, 가능하게 하거나, 구성되거나, 가능해지거나, 동작 가능하거나, 동작적인 한, 그러한 장치, 시스템, 구성요소를 포함한다.
Claims (20)
- 시스템이며:
캐소드 관을 포함하는 캐소드;
적어도 부분적으로 캐소드 관 내에 설치되는 열이온 에미터; 및
캐소드 관을 둘러싸고 열이온 에미터를 가열하도록 구성되는 그라파이트 가열기로서, 중공형의 원형 실린더의 형상이고,
제1 단부;
제1 단부에 대향되는 제2 단부;
제1 단부로부터 제2 단부까지 각각 연장되는 복수의 중공형 세라믹 절연 관; 및
중공형 세라믹 절연 관의 각각을 통해서 연장되고, 가열기 와이어를 통과하는 전류에 의해서 저항 가열되도록 구성되는 가열기 와이어를 포함하는, 그라파이트 가열기를 포함하는, 시스템. - 제1항에 있어서,
복수의 중공형 세라믹 절연 관의 세라믹은 알루미나; 샤팔; 하프늄 산화물; 붕소 질화물; 및 마그네슘 산화물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 시스템. - 제1항에 있어서,
가열기 와이어는 내화 금속으로 형성되는, 시스템. - 제3항에 있어서,
내화 금속은 탄탈륨; 레늄; 텅스텐; 및 몰리브덴으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 시스템. - 제1항에 있어서,
그라파이트 가열기는 반사 호일에 의해서 적어도 부분적으로 둘러싸이는, 시스템. - 시스템이며:
캐소드 관을 포함하는 캐소드;
적어도 부분적으로 캐소드 관 내에 설치되는 열이온 에미터; 및
캐소드 관을 둘러싸고 열이온 에미터를 가열하도록 구성되는 가열기로서,
제1 단부;
제1 단부에 대향되는 제2 단부;
제1 단부로부터 제2 단부까지 각각 연장되는 복수의 중공형 절연 관; 및
중공형 절연 관의 각각을 통해서 연장되고, 가열기 와이어를 통과하는 전류에 의해서 저항 가열되도록 구성되는 가열기 와이어를 포함하는, 가열기를 포함하는, 시스템. - 제6항에 있어서,
가열기는 중공형의 원형 실린더의 형상인, 시스템. - 제6항에 있어서,
가열기는 그라파이트; 텅스텐; 레늄; 또는 몰리브덴으로 형성되는, 시스템. - 제6항에 있어서,
복수의 중공형 절연 관의 각각이 세라믹으로 형성되는, 시스템. - 제9항에 있어서,
세라믹은 알루미나; 샤팔; 하프늄 산화물; 붕소 질화물; 및 마그네슘 산화물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 시스템. - 제6항에 있어서,
가열기 와이어는 내화 금속으로 형성되는, 시스템. - 제11항에 있어서,
내화 금속은 탄탈륨; 레늄; 텅스텐; 및 몰리브덴으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 시스템. - 제6항에 있어서,
가열기는 반사 호일에 의해서 적어도 부분적으로 둘러싸이는, 시스템. - 시스템이며:
열이온 에미터; 및
열이온 에미터를 적어도 부분적으로 둘러싸는 가열기로서, 열이온 에미터를 가열하도록 구성되고:
제1 단부;
제1 단부에 대향되는 제2 단부;
제1 단부로부터 제2 단부까지 각각 연장되는 복수의 중공형 절연 관; 및
중공형 절연 관의 각각을 통해서 연장되고, 가열기 와이어를 통과하는 전류에 의해서 저항 가열되도록 구성되는 가열기 와이어를 포함하는, 가열기를 포함하는, 시스템. - 제14항에 있어서,
가열기는 중공형의 원형 실린더의 형상인, 시스템. - 제14항에 있어서,
가열기는 그라파이트; 텅스텐; 몰리브덴, 또는 레늄으로 형성되는, 시스템. - 제14항에 있어서,
복수의 중공형 절연 관의 각각이 세라믹으로 형성되는, 시스템. - 제17항에 있어서,
세라믹은 알루미나; 샤팔; 하프늄 산화물; 붕소 질화물; 및 마그네슘 산화물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 시스템. - 제14항에 있어서,
가열기 와이어는 내화 금속으로 형성되고, 내화 금속은: 탄탈륨; 레늄; 텅스텐; 및 몰리브덴으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 시스템. - 제14항에 있어서,
가열기는 반사 호일에 의해서 적어도 부분적으로 둘러싸이는, 시스템.
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