KR20090015144A - 점화 장치 작동 방법 및 점화 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 수동형 큐-스위칭부(passive Q-switching)(46)를 포함하는 레이저 활성 솔리드 바디(44) 및 상기 수동형 큐-스위칭부의 후방에 접속된 광 증폭기(70)를 포함하며, 연소실(14)로 방사하기 위한 레이저 펄스를 발생시키는 레이저 장치(26)와, 레이저 활성 솔리드 바디(44) 및 레이저 장치(26)의 광 증폭기(70)를 위한 펌프광(60)을 제공하는 펌프광원(30)을 포함하는, 특히 자동차의 내연기관(10)용 점화 장치를 작동하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 펌프광(60) 파장을 변동시켜 레이저 펄스(24)의 에너지를 조절한다.
점화 장치, 수동형 큐-스위칭, 광 증폭기, 레이저 활성 솔리드 바디, 펌프광
Description
본 발명은 특히 자동차의 내연기관용 점화 장치를 작동하는 방법에 관한 것이다. 상기 점화 장치는, 수동형 큐-스위칭부(passive Q-switching)를 구비한 레이저 활성 솔리드 바디 및 상기 수동형 큐-스위칭부의 후방에 접속된 광 증폭기를 포함하는 레이저 장치를 구비하며, 상기 레이저 장치는 연소실로 방사하기 위한 레이저 펄스를 발생시킨다. 상기 점화 장치는 또한, 레이저 활성 솔리드 바디와 레이저 장치의 광 증폭기를 위한 펌프광을 제공하는 펌프광원을 포함한다.
본 발명은 또한 전술한 유형의 점화 장치에 관한 것이다.
도입부에 언급한 작동 방법 또는 관련 점화 장치는 이미 공지되어 있으며, 특히 자동차 분야에서 내연기관의 레이저 기반 점화 시스템에 사용된다. 그러나 공지되어 있는 수동형 큐-스위칭 점화 장치는, 특히 단일 펌프광원을 사용해서는 가변 출력 에너지의 레이저 펄스를 발생시킬 수 없다. 레이저를 구비한 점화 장치는 DE 199 11 737로부터 공지되어 있다.
따라서 본 발명의 과제는, 점화 장치가 유연하게 작동될 수 있으면서 특히 가변 출력 에너지의 레이저 펄스를 송출하도록 설계되는 방식으로, 도입부에 언급한 유형의 점화 장치 및 그의 작동 방법을 개선하는 것이다.
상기 과제는 도입부에 언급한 유형의 작동 방법과 관련하여, 본 발명에 따라 펌프광 파장의 변동을 통해 레이저 펄스의 에너지가 조절됨으로써 해결된다.
본 발명에 따른 펌프광 파장의 변동을 통해, 레이저 활성 솔리드 바디 및 광 증폭기에서의 흡수 길이가 상응하게 변동한다. 즉, 펌프광의 파장들이 상이한 경우, 그에 상응하게 변동하는 흡수율로 인해, 펌프광에 의해 각각 상이한 에너지량이 레이저 활성 솔리드 바디 및 광 증폭기로 송출되고, 상이한 에너지량은 본래 공지되어 있는 방식으로 밀도 반전(population inversion)을 야기한다.
이러한 방식으로 야기된, 수동형 큐-스위칭 발진기의 레이저 활성 솔리드 바디에 공급되는 펌프광 에너지량의 변동은, 레이저 활성 솔리드 바디 내에서 생성된 레이저 펄스의 에너지에는 영향을 주지 않는다. 레이저 활성 솔리드 바디 내에서 생성된 레이저 펄스의 에너지는 실질적으로 솔리드 바디의 재료 선택과, 수동형 큐-스위칭의 특성과, 광추출 거울의 특성과, 펌프광이 공급된 레이저 활성 솔리드 바디의 체적의 특성에 의해서만 규정된다. 이 파라미터들은 일반적으로 구조적인 이유로 고정되어 있으며, 특히 동역학적으로 변동할 수 없다.
물론 펌프광 파장이 변동하면 광 증폭기에 공급되는 펌프광 에너지량이 변하고, 이는 광 증폭기에서 발생하는 밀도 반전 정도에 영향을 미친다. 그 결과, 펌프광 파장에 따라, 바람직하게는 레이저 활성 솔리드 바디의 발진기 내에서 생성된 레이저 펄스가 레이저 장치에 의해 연소실 내로 방사되기 전에 각각 상이한 크기로 증폭될 수 있다. 따라서 광 증폭기에 의한 광 증폭 크기는 그에 상응하게 증폭된 레이저 펄스의 에너지와 마찬가지로, 사용된 펌프광의 파장과 직접적으로 관련된다.
본 발명의 그 밖의 바람직한 실시예들은 종속 청구항들의 대상이다.
본 발명의 또 다른 특징들, 적용 방법들 및 장점들은 도면들에 도시된 본 발명의 실시예들과 관련한 하기의 설명에 제시된다. 여기서 설명되는 모든 특징들은, 실시예 설명 또는 도면 내에서 청구항들 또는 그들의 인용항들 및 그들의 형식 또는 표현과 무관하게, 그 자체로 또는 임의로 조합되어 본 발명의 대상을 형성한다.
도1은 본 발명에 따른 점화 장치를 구비한 내연기관의 개략도이다.
도2는 본 발명에 따른 점화 장치의 일 실시예의 세부도이다.
도3은 본 발명에 따른 점화 장치의 레이저 활성 솔리드 바디 및 광 증폭기의 길이에 걸쳐 나타나는 상기 두 부품 내부에서의 펌프광 흡수율 거동을 개략적으로 재현한 그래프이다.
도1에서는 내연기관 전체를 도면부호 "10"으로 표시하였다. 상기 내연기관은 도시되지 않은 자동차의 구동에 사용된다. 내연기관(10)은 다수의 실린더를 포함하며, 도1에는 이 실린더들 중 단 하나만 도면 부호 12로 표시되어 있다. 실린더(12)의 연소실(14)은 피스톤(16)에 의해 한정된다. 연료는, 레일 또는 커먼레일 이라고도 불리는 연료 압력 저장기(20)에 연결된 인젝터(18)에 의해 직접 연소실(14)에 도달한다.
연소실(14) 내에 분사된 연료(22)는 레이저 펄스(24)를 이용하여 점화되고, 상기 레이저 펄스는 레이저 장치(26)를 포함하는 점화 장치(27)에 의해 연소실(14) 내로 방사된다. 이를 위해, 레이저 장치(26)는 광도파관 장치(28)를 통해 펌프광원(30)으로부터 제공되는 펌프광을 공급받는다. 펌프광원(30)은 제어 장치(32)에 의해 제어되며, 상기 제어 장치는 인젝터(18)도 제어한다.
펌프 광원(30)은, 예컨대 제어 전류에 따라 상응하는 펌프광을 광도파관 장치(28)를 통해 레이저 장치(26)로 송출하는 반도체 레이저 다이오드일 수 있다. 자동차 분야에 사용하기에는 반도체 레이저 다이오드 및 기타 소형 펌프 광원들이 바람직하긴 하나, 본 발명에 따른 점화 장치(27)의 작동을 위해서는 원칙적으로 펌프광의 파장이 조절될 수 있는 모든 유형의 펌프광원이 사용될 수 있다.
도2에는 도1의 레이저 장치(26)의 세부도가 개략적으로 도시되어 있다.
도2에서 볼 수 있듯이, 레이저 장치(26)는 레이저 활성 솔리드 바디(44)를 포함하며, 광학적으로 이 레이저 활성 솔리드 바디의 후방에 큐-스위치라고도 불리는 수동형 큐-스위칭부(46)가 배치된다. 레이저 활성 솔리드 바디(44)는 여기서 수동형 큐-스위칭부(46), 도2의 좌측에 배치된 광결합 거울(42) 및 광추출 거울(48)과 함께 레이저 발진기를 형성하며, 이 레이저 발진기의 진동 거동은 수동형 큐-스위칭부(46)에 좌우되고, 그에 따라 적어도 간접적으로 이미 공지된 방식으로 제어될 수 있다.
도2에 도시된 레이저 장치(26)의 구성에서는, 펌프광(60)이 이미 도1과 관련하여 설명한 광도파관 장치(28)에 의해 역시 이미 설명한 펌프광원(30)으로부터, 양면이 볼록한 렌즈(40)로 도시된 광결합 광학 장치로 안내되며, 상기 광결합 광학 장치는 펌프광(60)을 광결합 거울(42)로 집속시킨다. 광결합 거울(42)은 펌프광(60)의 파장을 투과사킬 수 있기 때문에, 상기 펌프광(60)은 레이저 활성 솔리드 바디(44) 내로 침투하여 그 내부에 본래 공지된 밀도 반전을 야기한다.
수동형 큐-스위칭부(46)가 비교적 낮은 투과 계수를 보이는 정지 상태에 있는 동안, 레이저 활성 솔리드 바디(44)와, 광결합 거울(42) 및 광추출 거울(48)에 의해 한정되는 솔리드 바디(44, 46)에서의 레이저 가동이 방지된다. 그러나 펌핑 지속시간이 증가하면 레이저 발진기(42, 44, 46, 48)에서의 방사 세기도 증가하기 때문에, 수동형 큐-스위칭부(46)가 투명해지며, 즉, 그의 투과 계수가 증가하며, 레이저 발진기(42, 44, 46, 48)에서 레이저 가동이 시작된다.
이러한 방식으로, 거대 펄스(giant pulse)라고도 불리는, 비교적 높은 첨두 출력을 가진 레이저 펄스(24)가 발생한다. 이 레이저 펄스(24)는 경우에 따라 추가의 광도파관 장치를 통해 내연기관(10)의 연소실(14)(도1)로 입사되거나, 도시되지 않은 레이저 장치(26)의 연소실 창을 통해 직접 입사됨으로써 그 안에 있던 연료(22)를 점화시킨다.
또한, 본 발명에 따른 점화 장치에서는 레이저 활성 솔리드 바디(44) 내에 생성된 레이저 펄스(24)가 연소실(14) 내로 방사되기 전에, 후방에 접속된 광 증폭기(70)에 의해 한번 더 증폭된다. 광 증폭기(70)는, 레이저 활성 솔리드 바디(44) 와 유사하게, 펌프광원(30)의 펌프광(60)에 의해 펌핑되고, 그 결과 광 증폭기(70)에서도 밀도 반전이 일어나며, 이 밀도 반전은 수동형 큐-스위칭부(46)가 레이저 발진기(42, 44, 46, 48)에서의 레이저 가동을 릴리스함에 따라 레이저 펄스의 발생이 허용되는 즉시 레이저 펄스를 증폭시키는 데 사용될 수 있다. 도2에 따른 구성에서 광 증폭기(70)의 펌핑은, 앞서 구성 부품들(44, 46)을 통과했던 펌프광(60)에 의해 실시된다.
본 발명에 따른 점화 장치(27) 작동 방법에서 매우 바람직하게는, 레이저 펄스(24)의 에너지 및 연소실(14)에 공급되는 방사 에너지를 증가시키기 위해, 사용되는 펌프광(60)의 파장을 변동시킨다.
실험을 통해, 펌프광(60)의 파장이 변동되면 레이저 활성 솔리드 바디(44)와, 수동형 큐-스위칭부(46)와 광 증폭기(70)에서의 펌프광(60) 흡수율이 상이하게 나타나는 것으로 밝혀졌다. 즉, 관련 솔리드 바디들(44, 46, 70)에 의해 흡수되는 방사 에너지량은 펌프광(60)의 파장에 좌우된다.
레이저 활성 솔리드 바디(44) 및 수동형 큐-스위칭부(46)에서의 펌프광(60) 입사량 및 흡수량의 변동으로 인해, 밀도 반전의 시간에 따른 거동의 변화 및 그로 인한 레이저 가동 모드의 변동이 나타남으로써, 레이저 활성 솔리드 바디(44) 내에서 경우에 따라 레이저 펄스를 발생시키는 데 필요한 펌프 지속시간이 변동하면, 펌프광(60)의 파장에 따라 나타나는 광 증폭기(70)의 밀도 반전이 변동하여 광 증폭기(70)를 통과하는 레이저 펄스(24)의 증폭 정도도 그에 상응하게 변동한다.
즉, 펌프광(60)의 파장의 변동은 레이저 발진기(42, 44, 46, 48)에 의해 발 생하는 레이저 펄스 또는 그의 에너지에 영향을 미치지 않는다. 물론 광 증폭기(70)의 펌핑에도 이용되는 펌프광(60)의 파장 변동은 광 증폭기(70) 내에서의 밀도 반전 정도 및 통과하는 레이저 펄스의 증폭을 위해 제공되는 에너지에 영향을 미친다.
이와 관련하여 하기에서 도3을 참고로 더 상세히 설명한다.
펌프광(60)의 제1 파장에서는 예컨대 도3에 도면부호 "A"로 지시된 흡수 곡선이 나타나며, 이 흡수 곡선은 펌프광(60)의 방사 방향으로 측정된 공간 좌표계(x)에 대한 펌프광(60)의 상대 흡수율을 나타낸다. 펌프광(60)의 방사 방향은 도2에서 예컨대 좌측에서 우측으로 뻗어 있다. 즉, 펌프광(60)은 처음에 레이저 활성 솔리드 바디(44) 내로 입사한 다음, 수동형 큐-스위칭부(46)를 거쳐 최종적으로 광 증폭기(70)에 도달한다.
도3의 흡수 그래프 위에는 레이저 활성 솔리드 바디(44), 수동형 큐-스위칭부(46) 및 그 후방에 접속된 광 증폭기(70)도 개략적으로 도시되어 있는데, 여기서는 이해를 돕기 위해 도2에 따른 구성과 달리 수동형 큐-스위칭부(46)와 광 증폭기(70) 사이에, 즉 공간 좌표계 x0과 x1 사이에 갭이 존재한다.
도3에서 볼 수 있듯이, 구성 부품들(44, 46)에서의 제1 파장의 경우 곡선 A에 따른 펌프광(60)의 상대 흡수율은 약 80%에 달하며, 이는 값 a_2로 표시되어 있다. 그에 따라, 후방에 배치된 광 증폭기(70)에서의 펌프광(60)의 상대 흡수율은 약 20%에 불과하다. 이 경우, 광 증폭기(70)에 의해서 수행될 수 있는 레이저 펄 스(24)의 증폭 정도는 비교적 낮다.
펌프광(60)에 대해 설정된 제2 파장의 경우, 역시 도3에 도시된 곡선 B가 나타난다. 여기서는 곡선 A와는 완전히 다른 흡수 거동이 나타남에 따라, 구성 부품들(44, 46)에서의 펌프광 에너지의 상대적 흡수율은 약 50%에 불과하며, 이는 값 a_1으로 표시되어 있다. 즉, 펌프광(60)의 제2 파장에서는 레이저 장치(26) 내로 입사되는 펌프광 에너지의 약 50%가 광 증폭기(70)의 펌핑을 위해 남겨짐에 따라, 광 증폭기(70)에 의한 증폭 정도가 곡선 A에 따른 상황에 비해 훨씬 더 높을 수 있다. 따라서 제2 파장의 펌프광(60)을 이용한 펌핑을 통해, 제1 파장의 펌프광(60)을 이용하는 경우보다 더 많은 에너지를 가진 레이저 펄스(24)가 발생할 수 있다.
도3에 도시된 또 다른 곡선 C의 경우, 펌프광(60)의 파장은 구성 부품들(44, 46)에서의 펌프광(60)의 상대적 흡수율이 약 25%에 불과하도록(값 a_0 참조) 선택된다. 이 경우, 펌프광 에너지의 약 75%가 광 증폭기(70)의 펌핑을 위해 남겨짐에 따라, 광 증폭기를 통과하는 레이저 펄스가 그에 상응하는 크기로 증폭될 수 있다.
본 발명에 따라 펌프광(60)의 파장이 상이하게 선택됨으로써, 구성 부품들(44, 46) 및 광 증폭기(70)로의 펌프광 에너지의 분배가 사전 설정될 수 있다. 따라서 펌프광(60) 파장의 비교적 간단한 변동을 통해 바람직하게는 광 증폭기(70)의 증폭 정도 및 궁극적으로는 레이저 펄스(24)의 에너지도 조절될 수 있다. 펌프광원(30)이 반도체 레이저 다이오드로서 형성된 경우, 펌프광(60)의 파장은 예컨대 반도체 레이저 다이오드의 온도 조절에 의해 변동될 수 있다.
본 발명에 따른 방법을 사용하는 경우 특히 바람직한 것은, 상이한 에너지를 갖는 레이저 펄스(24)를 발생시키는 데 단 1개의 펌프광원(30)만 있으면 된다는 점이다.
본 발명의 매우 바람직한 한 실시예에서는, 광 증폭기(70)가 펌프광원(30) 또는 광도파관 장치(28)를 기준으로 레이저 활성 솔리드 바디(44) 및 그의 수동형 큐-스위칭부(46)의 뒤에 배치됨에 따라, 상기 광 증폭기가 바람직하게는 레이저 활성 솔리드 바디(44) 및/또는 수동형 큐-스위칭부(46)를 통과한 펌프광원(30)의 펌프광만 공급받는다. 이 경우, 펌프광(60)의 매우 높은 사용 효율이 보장된다.
레이저 활성 솔리드 바디(44) 및/또는 수동형 큐-스위칭부(46)의 길이는 펌프광(60)의 방사 방향(x)(도3)을 따라, 사용된 펌프광(60) 파장의 적어도 일부가 레이저 활성 솔리드 바디(44) 및/또는 수동형 큐-스위칭부(46)에서 이미 완전히 흡수되지 않도록 선택되며, 그럼으로써 펌프광(60)의 적어도 일부는 광 증폭기(70)에 도달하여 거기서 밀도 반전을 야기할 수 있다.
본 발명에 따라 구성 부품들(44, 46, 70)이 펌프광원 또는 광결합 광학 장치(40)와 관련하여 연속 배치됨으로써, 한편으로는 매우 컴팩트한 구조가 구현되고, 다른 한편으로는 레이저 활성 솔리드 바디(44) 내에서 레이저 펄스를 신속하게 발생시키는 데 펌프광(60)이 최대로 활용될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 매우 바람직한 실시예는, 바람직하게 주기적으로, 레이저 장치(26)의 연소실 창을 세척하기 위해 가능한 최대의 에너지를 갖는 레이저 펄스(24)가 발생하는 것을 특징으로 한다.
특히 바람직하게는, 연소실(14) 내에 차후의 듀티 사이클(duty cycle)을 위 해 제공되는 점화 가능한 공기/연료 혼합물이 존재하지 않음으로써 의도하지 않은 점화가 방지되는 경우에만, 가능한 최대의 에너지를 갖는 레이저 펄스가 발생한다.
본 발명에 따른 작동 방법에 의해서는 또한, 레이저 펄스(24)의 에너지가 작동 상태에 따라, 특히 내연기관(10)의 작동점에 따라 조절될 수 있다. 그로 인해, 예컨대 공기/연료 혼합물의 연소에 최소로 필요한 점화 에너지가 항시 제공될 수 있기 때문에 본 발명에 따른 점화 장치(27)의 에너지 절약형 작동이 가능하다. 이 경우 또 다른 장점은, 레이저 장치(26)의 연소실 창에 레이저 펄스(24)의 높은 방사 출력(radiant power)이 가해질 필요가 없다는 것이다. 이는 연소실 창의 수명에 유리하게 작용한다.
상이한 파장의 펌프광(60)이 사용됨에 따라, 레이저 활성 솔리드 바디(44)에 펌프광(60)의 공급이 개시되는 시점과 레이저 작동 개시 시점 또는 레이저 펄스(24) 발생 시점 사이의 잠재기를 고려하기 위해, 경우에 따라 펌프광원(30)으로부터 송출되는 방사 출력이 변동될 수 있다. 예컨대 구성 부품들(44, 46)에서 비교적 적은 펌프광(60)이 흡수되는(도3의 곡선 C 참조), 펌프광(60)의 제1 파장에서는, 구성 부품들(44, 46)에서 비교적 적은 펌프광(60)이 흡수될 지라도 비교적 짧은 시간 내에 레이저 작동이 여기되도록 하기 위해, 펌프광원(30)의 비교적 높은 방사 출력이 설정될 수 있다. 구성 부품들(44, 46)에서의 펌프광(60) 흡수량이 증가하는, 펌프광(60)의 제2 파장에서는, 그에 알맞는 잠재기에 도달하도록 하기 위해, 펌프광(60)의 방사 출력이 상응하게 감소될 수 있다.
본 발명에 따른 원리는 하나 이상의 펌프광원을 구비한 레이저 장치에도 적 용될 수 있다. 바람직하게는 고정형 엔진(stationary engine)에서도 사용될 수 있다.
Claims (9)
- 수동형 큐-스위칭부(passive Q-switching)(46)를 포함하는 레이저 활성 솔리드 바디(44) 및 상기 수동형 큐-스위칭부의 후방에 접속된 광 증폭기(70)를 포함하며, 연소실(14)로 방사하기 위한 레이저 펄스를 발생시키는 레이저 장치(26)와, 레이저 활성 솔리드 바디(44) 및 레이저 장치(26)의 광 증폭기(70)를 위한 펌프광(60)을 제공하는 펌프광원(30)을 포함하는, 특히 자동차의 내연기관(10)용 점화 장치를 작동하는 방법에 있어서,상기 펌프광(60)의 파장을 변동시켜 레이저 펄스(24)의 에너지를 조절하는 것을 특징으로 하는, 점화 장치 작동 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 광 증폭기(70)는 레이저 활성 솔리드 바디(44) 및/또는 수동형 큐-스위칭부(46)를 통과하는 펌프광원(30)의 펌프광을, 바람직하게는 그러한 펌프광만, 공급받는 것을 특징으로 하는, 점화 장치 작동 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 펌프광원(30)으로서 반도체 레이저 다이오드가 사용되고, 상기 펌프광(60)의 파장은 반도체 레이저 다이오드의 온도 조절에 의해 변동되는 것을 특징으로 하는, 점화 장치 작동 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저 장치(26)의 연소실 창을 세척하기 위해, 가능한 최대의 에너지를 갖는 레이저 펄스(24)가, 바람직하게는 주기적으로, 발생하는 것을 특징으로 하는, 점화 장치 작동 방법.
- 제4항에 있어서, 연소실(14) 내에 차후의 듀티 사이클(duty cycle)을 위해 제공되는 점화 가능한 공기/연료 혼합물이 존재하지 않는 것을 특징으로 하는, 점화 장치 작동 방법.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저 펄스(24)의 에너지는 내연기관(10)의 작동 상태에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는, 점화 장치 작동 방법.
- 수동형 큐-스위칭부(passive Q-switching)(46)를 포함하는 레이저 활성 솔리드 바디(44) 및 상기 수동형 큐-스위칭부의 후방에 접속된 광 증폭기(70)를 포함하며, 연소실(14)로 방사하기 위한 레이저 펄스를 발생시키는 레이저 장치(26)와, 레이저 활성 솔리드 바디(44) 및 레이저 장치(26)의 광 증폭기(70)를 위한 펌프광(60)을 제공하는 펌프광원(30)을 포함하는, 특히 자동차의 내연기관(10)용 점화 장치에 있어서,상기 펌프광(60)의 파장을 변동시켜 레이저 펄스(24)의 에너지를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 점화 장치.
- 제7항에 있어서, 광 증폭기(70)는 펌프광원(30)을 기준으로 레이저 활성 바디(44) 또는 그의 수동형 큐-스위칭부(46)의 뒤에 배치되고, 레이저 활성 솔리드 바디(44) 및/또는 수동형 큐-스위칭부(46)를 통과하는 펌프광원(30)의 펌프광을, 바람직하게는 그러한 펌프광만, 공급받는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 점화 장치.
- 제8항에 있어서, 레이저 활성 솔리드 바디(44) 및/또는 수동형 큐-스위칭부(46)의 길이는 펌프광(60)의 방사 방향을 따라, 사용된 펌프광(60) 파장의 적어도 일부가 레이저 활성 솔리드 바디(44) 및/또는 수동형 큐-스위칭부(46)에서 이미 완전히 흡수되지 않도록 선택되는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 점화 장치.
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