KR800000182B1 - 토오숀 발진기(torsional Oscillator) - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

토오숀 발진기(torsional Oscillator)

제 1도는 본 발명 발진기의 사면도;

제 2도는 제 1도 발진기의 종단면도;

제 3도는 제 1도 발진기의 측단면도;

제 4도는 제 1도 발진기의 전기 및 자기 회로도;

제 5도는 본 발명 발진기의 토오숀 봉(torsion rod)의 진동이 어떻게 증폭될 수 있는지를 보이는 도면;

제 6도는 본 발명 발진기의 토오숀 봉의 진폭이 어떻게 감쇠(damping)될 수 있는지를 도해하기 위한 도면;

제 7도는 토오숀 봉의 진동이 감쇠되는 것을 설명하는 등가 전기회로도.

본 발명은 일반적으로 말하면, 진폭이 큰 진동을 일으키기에 적합한 비틀림 발진기(torsional oscillator)에 관한 것이다. 좀더 구체적으로 말하면, 본 발명은 비교적 넓은 기계적 대역폭(mechanical bandwidth :機械的帶域幅)을 가진 비틀림 광주사기(torsional optical scanner)에 관한 것이다.

광선 또는 기타 복사에너지 선(beam)을 주사(走査:scann), 소인(掃引:sweep), 편향 또는 변조 시키기 위하여 현재 사용되는 광학 기계는 많은 종류가 있는바, 이들 광학기계는 질량 분석기, 저항 방사열계 및 색도계에 결합되어 사용되며, 또한 핵, X-레이, 레이저 빔(laser beams) 또는 가시광선, 자외선, 또는 적외선을 이용하거나 분석하는 각종 기구에 결합되어 있다. 최근에 와서, 각종 콤퓨터의 기능을 수행하기 위한 신호 펄스(signal pulse)를 얻기 위해서, 2진-부호화된 바 또는 이와 유사한 표시를 지나는 광선을 소안(sweep)하기에 적합한 광주사기(optical scanner)의 수요가 급격히 증가되었다.

현재 사용되고 있는 이들 기계 기구들은 대개가 디스크, 드럼 또는 거울(鏡) 또는 프리즘을 전동기(motor)로 회전시키는 것으로서, 조작이 복잡할 뿐만 아니라, 다량의 전력을 소모하는 장치이다. 이들 외에도, 전기식(電機式)으로 작동되는 전기자를 사용하는 장치도 사용되고 있으나, 이들은 모두 비능률적이고 또 불안정하며, 외부의 충격을 받아 흔히 고장읕 일으키는 폐단이 있었다.

이러한 종래 장치의 폐단의 개량을 시도한 것이 미국 특허 제3,609,485호에 공개된 공진식 비틀림 발진기(resonnant torsional oscillator)인바, 상기 미국특허에서는 비틀림 봉을 전자력(電磁力)을 이용해서 구동시켜, 봉의 일단(一端)에 고설된 광소자(optica1 element)를 발진기의 공명 주파수에 의하여 결정되는 속도로 앞 및 뒤로 선회 진동케 함을 요지로 하는 발명이다.

비틀림 붕중에서 토오숀 봉을 구동 시키는 동력이 작용하는 지점에서의 각 진폭(angular swing)과 또 봉의 고정되지 않은 일단에서 각 진폭의 비율은, 동력이 작용하는 지점에서 봉의 고정된 하단 까지의 거리와 또 동력이 작용하는 지점에서 봉의 고정되지 않는 또 다른 일단(이하 봉의 自由端 이라 칭함)까지의 거리 비율에 의하여 결정되는 고로, 봉의 자유단에 설치된 광소자의 편향은 대폭 증폭될 수 있다.

그러나, 이러한 장치를 사용하더라도, 비틀림 봉을 발진시키는 동력원이 외부에 위치해 있기 때문에 여러가지 애로가 많았다. 즉, 이러한 동력원의 신호가 지극히 안정된 것이고 또 비틀림 봉 고유(固有)의 공진주파수와 같으면 봉의 자유단의 진폭은 통상적으로 높아지나 동력원이 위치해 있는 주변의 온도가 변함에 따라 비틀림 봉의 공진 주파수가 변함으로서 결과적으로 자유단에서의 진폭은 악영향을 받는다.

비틀림봉은 일종의 기계적인 공진기(resonnator)로서, 이 봉의 고유의 주파수는 봉의 크기 및 탄성영율(Young's modu1us of elasticity)에 따라 결정된다. 봉의 기계적인 대역폭, 다시 말해서, 봉의 외부의 힘에 대한 반응곡선(response-curve)은 봉의 Q (Quality factor)에 의하여 결정되는바, Q가 크면 클수록 봉의 대역폭은 좁아진다. 다시 말하면 봉의 Q가 높으면, 또 구동펄스의 반복 속도가 봉 고유의 주파수와 정확히 같으면, 봉은 구동펄스에 대하여 능률적으로 반응을 일으키지만, 그렇지 못한 경우, 구동펄스에 대한 봉의 반응은 급격히 저하됨이 발견되었다.

고로, 비록 안정한 구동펄스를 얻을 수 있다고 하더라도, 또 Q의 값이 높은 발진기를 사용한다 하더라도, 주변 온도가 변하여 비틀림봉의 고유주파수에 영향을 미치게 되면, 결과적으로 큰 진폭은 얻을 수가 없게 된다. 또 한편, 구동 펄스의 공곱원이 조절되지 않아서 이의 반복 속도가 발진기의 진동수와 달라지게 되면, 달라진 정도 만큼 봉의 진폭 또한 급격히 감소함을 발견하였라.

결론하면, 전술한 미국특허에 기술된 바와 같은 발진기는 어떤 특정 조건하에서 정상적으로 작동할때는-비틀림 봉의 진폭을 증폭시킬 수 있으나, 외부에 위치한 동력원에서 공급되는 동력에 의하여 구동되는 경우에는, 주변 온도에 따라서 주파수의 변화가 생겨서 소망하는 결과를 얻을 수가 없었다.

본 발명은 구동신호에 대한 발진기의 주파수의 선택도를 감소시켜서, 즉 다시말하면, 종래의 발진기는 어떤 특정 주파수의 구동신호에만 능률적으로 작동 가능하였던 것을 광범위한 주파수의 구동신호에도 능률적으로 작동토록 개량하여, 심지어는 구동신호의 주파수가 발진기 고유의 주파수와 상이 하더라도 효율적으로 작동 가능하게 하기 위하여 낮은 Q값을 갖는 비틀림봉으로 구성된 기계적 대역폭이 넓은 발진기를 얻기 위한 것이다.

본 발명 발진기는 하단이 저판에 고설된 수직 비틀림봉(torsion rod), 또 이 봉의 자유단(自由端) 즉, 상단에 고설된 광소자(optical element) 및 봉을 주기적으로 발진시킴에 필요한 1개의 전동기로 구성되었다. 전동기는 전기자와 전자석으로 구성되어 있는바, 전기자는 상술한 비틀림봉 하단 부근에 고설되어 있으며, 또 전자석을 전기자와 함께 작동하여 외부의 발전기로 부터 공급된 주기적인 구동신호에 응답해서 봉을 그의 고유의 주파수로 발진시킬 수 있는 우력(偶力)을 일으킨다. 또 상술한 비틀림봉은 전기자가 설치된 지점을 중심으로 하여 상하 두 부분으로 구분되어 있는바, 봉 하부의 탄성계수(spring contant)는 상부의 탄성계수와 거의 동일하여서, 발진기의 진동을 감쇠(damping)시키거나 또 발진기의 기계적인 대역폭을 확장하는 카풀링(coupling)의 역할을 하도록 되어 있다. 고로, 본 발명의 발진기는 구동신호의 주파수가 봉의 고유의 주파수와 상이 하더라도, 또 이와 반대로 봉의 주파수가 구동신호의 주파수와 상이하더라도, 능률적으로 작동 가능하다.

본 발명 발전기를 사용하면, 구동신호 공급원이 부정확한 경우에도 작동될 수 있어서, 구동신호의 주파수가 지정된 주파수와 달라져도 발진기의 진폭을 일정하게 유지할 수 있다. 더우기 구동신호는 대단히 안정하게 공급되지만, 발진기의 공진주파수가 온도변화 때문에 달라지는 경우에라도 발진의 진폭은 역시 일정하게 유지할 수 있다. 따라서 심지어 Q가 높은 발진기도 만족히 작동될 수 없는 여건하에서, Q가 낮은 본 발명 발진기는 효율적으로 작동될 수 있다.

상술한 봉의 비틀림 진동은, 봉의 하단 부근에 장착된 전기자 및 또 이와함께 협동하는 전자적으로 마련된 전동기에 의해서 유지된다. 이 전동기는 발진기의 고유 주파수와 동일한 주파수로 발진하는 구동신호 발전기에 의하여 여기된다.

발진기의 진동을 감쇠시키기 위하여, 봉에 고설된 전기자 중심으로 해서 봉의 상단과 하단의 탄성 계수가 서로 거의 동일한 값을 갖도록 하였으며, 발진기의 진폭을 안정시키기 위해서 제어신호(control signal)을 봉의 진폭과 함수 관계를 갖도록 봉으로 부터 발생시켜, 이를 구동신호발전기에 가하여, 구동신호의 진폭을 조정 토록 하였다.

본 발명 발진기는 제1도 내지 제4도에 도시된 바와갈이, 발진기에 의하여 진동되는 광소자(光素子)에 들어오는 복사에너지의 선을 변조 하거나, 주사, 소인등의 작업을 수행하기 위한 광쵸파(optical chopper)이다.

본 발명 발진기는 절연판재(12)위에 금속판 재(11)를 재치하고, 금속판재 위에 제2도에 도시된 바와같이 수직비틀림 봉(10)의 하단을 고설하고, 후레임(13) 및 (14)로 이들 판재들을 협지하도록 하였다(제1도및 제3도 참조). 후레임(13) 및 (14)는 자기감응이 용이하게 될수 있는 재료, 예컨대 철(鐵)을 사용하였다. 제1도 및 제3도에 도시한 바와같이, 후레임(13) 및 (14)의 끝을 안으로 만곡시켜(13A,l3B,14A및14B) 자극(磁極)으로서 작용하게 함과 동시에 자석의 에어 갭(air gap)을 형성토록 하였다.

제4도에 도시한 바와같이 한쌍의 장방형의 영구자석(17) 및 (18)을 후레임(13) 및 (14)사이에 후레임과 상접하도록 올려 놓으면, 이 후레임은 제4도에 도시한 바와같이 N및 S의 극을 갖게된다.

다음 연철제 구동 전기자(13)을 봉(l0)과 90°를 이루도록 고설하고(제2도 및 제5도 참조), 후레임의 에어갭(15) 및 (16)내에 상기한 전기자의 양쪽끝이 제1구동코일 (22)및 제2구동코일(23)을 통하여 제1도에 도시한 바와같이 놓이도록 하는데, 이들 2개의 구동코일은(13A) 및 (14A)와 (13B) 및 (14B)로 표시된 후레임에 부착시켰다. 이와 동일한 방법으로 또 하나의 다소 길이가 짧은 전기자(20)을 봉(10)의 상단에 설치한다.

봉와 상단(10A)에는 반사경(21)을 고설함으로서, 비틀림 봉(10)이 비틀림 운동을 함에 따라, 반사경(21)도 이와 함께 회동하여, 이 반사경내로 들어오는 광선이나 복사 에너지의 선을 발진기의 공진 특성에따라 결정되는 속도로 주기적으로 편향시켜서 주사나 쵸핑(chopping)효과가 이루어지도록 한다.

제1도에 도시한 바와같이, 판재(24)의 우측 상단에 픽엎 전자석(pickup electromagnet)(25)을 착설하여 전기자(20)가 상기한 픽엎 전자석과 협동하여 진동하면, 전자석(25)내에 전압이 발생되도록 한다. 상기한 구동전기자(19)는 구동코일(22) 및 (23)과 함께 발진기의 전동기 역활을 수행한다.

본 발명 발진기가 어떻게 가동되는지를 설명하면 다음과 갈다.

제4도에 도시한 바와같이, 발진기(26)에서 나온 구동신호는 상술한 전동기의 구동코일(22) 및 (23)에 공급된다. 이때 발진기(26)에서 나오는 동력의 주파수는 발진기 고유의 주파수와 동일한 것이다.

앞에서 언급한 미국특허에서 전동기는 일종의 전자증폭기 이었는바, 이때 입력은 픽엎 코일(25)에 연결되고 출력은 구동 코일 (22 및 23)로 연결되어, 양(陽)성 휘드백(positive feed back) 또는 재생 회로를 형성하여, 비틀림 발진기의 공진주파수에 의하여 결정되는 주파수를 가진 동력을 생성한다.

그렇기 때문에, 만일에 발진기의 공진주파수가 변하면 재생 회로에 의하여 생성되는 동력의 주파수 또한 이에 따라 변하겠지만, 진폭은 그대로 유지된다.

그러나, 많은 경우에 있어서, 이러한 형태의 휘이드 백 회로는 적절하지 못함을 발견하였다.

한가기 예를 들어보면, 비틀림 봉 주사기를 예정된 반복 속도로 작동하는 시간측정 펄스로 조절되는 콤퓨터 시스템에 사용할 경우로서, 이때 이 주사기는 광선을 편향시켜 2진 부호화된 바를 해독하여 콤퓨터출력을 생성시킨다. 이때 주사기의 작동을 콤퓨터와 동기화 시키기 위해서 주사기를 외부에서 시계의 조절하에 발전기에 의해 발생된 구동신호로서 작동시킬 필요가 있다. 이러한 결과로, 발진기의 주파수와 구동신호의 주파수의 불균형이 생김으로서, 앞서 본 발명 명세서 서두에서 밝힌 바와같은 문제들이 생기게 된다. 참고로 구동 신호는 실제에 있어서 싸인 커브 형태일 수도 있으며, 또 정방형이거나 펄스형태 일수도있다.

그러나, 비틀림 발진기의 Q의 값을 적게 함으로 어떻게 이러한 종래의 폐단이 극복될 수 있는지를 설명하기에 앞서, 우선 구동신호가 어떻게 발진기를 작동 하는지 부터 검토 하기로 한다.

제4도에 도시한 바와같이, 만곡편(l3A) 및 (14A)와 (13B) 및 (14B)는 영구자석(17) 및 (18)에 의한 분극작용의 결과,(13A)와 (13B)가 전부 "남(south)'이 되고 (14A)와 (14B)는 전부 "북(north)"이 된다.

코일(22) 및 (23)에 양(陽)성의 펄스를 공급했다고 가정하면, 전동기의 전기자(19)는 자성을 갖게될 것이고, 에어 갭(15)내에 있는 전기자의 일단은 "북"쪽으로 끌리게 될 것이며, (16)내에 있는 또 다른 한끝은 "남" 쪽으로 끌리게 될 것이므르, 비틀림 봉(10)은 시침 반대 방향의 우력을 받게 된다. 또 한편, 코일(22) 및 (23)에 음(陰)성의 펄스가 된다면, 봉(10)은 시침 방향(時釪方向)의 우력을 받게된다. 어쨌던 어느 경우에나 봉은 비틀리는 힘(torsion)을 받는다.

발진기의 고유 공진주파수는 전동기 전기자(l9) 및 전기자(20)의 모멘트(刀率:moment), 반사경 2l)의 모멘트 및 기타 물리적 변수와 비틀림 봉(10)의 탄성영율(Young's modulus of el asticity)에 의하여 결정된다. 봉의 크기에 대한 온도의 효과릍 최소화 하기 위해서, 봉은 온도가 상당히 광범위하게 변해도, 그의 길이 및 탄성이 사실상 영향을 받지 않는 특수합금으로 제작할 수 있다. 그러나 온도 계수가 영(零)인 금속들은 지나치게 경(硬:stiff)하기 때문에 베릴리움-동(銅)과 같은 합금의 사용이 필요하게 되는바, 이들 합금은 온도 변화에 민감함으로, 이 경우에는 발진기의 주파수가 주변 온도에 따라 영향을 받는다.

봉이 그 자체의 공진 주파수로 비틀림 운동을 하면, 전기자(20)도 이와 동일한 속도로 작동되며, 이렇게 되면 픽엎코일(25)에 신호 전압이 생기게 된다.

이때 전압의 주파수는 봉의 진동 속도에 해당하는 것이며, 이의 진폭은 반사경의 편향의 진폭에 비례한다.

실제에 있어서 상술한 신호는 전기자(20)의 양단에 설치되어 있는 직열로 연결된 1쌍의 코일에 의하여 생성될 수 있으며, 이 신호 전압은 메타(27)로 측정될 수 있다 (제4도 참조). 또 이 전압은 제어신호로 사용될 수 있어서 전자 제어기(28)를 사용해서 외부 발전기(26)의 작동을 조절할 수도 있다.

제어기(28)은 픽엎 코일(25)에서 나오는 제어신호에 따라서 작동되어 발전기 출력의 진폭을 변화시켜줌으로서 발진기의 신호 진폭을 일정하게 유지하여 준다. 이러한 식으로 제어기내에서 코일(25)로 부터나오는 제어신호 전압은 기준 전압과 비교되어 발진기 진폭의 편향이 기준전압과 어느정도 차이가 나는가에 따라서 또 그의 방향에 따라서 오차신호(error signal)가 생기게 된다. 이렇게 해서 생긴 오차신호는 발전기에 가해져 오차신호를 없애 주도록 함으로서, 진폭을 소망되는 정도로 유지 되도록 한다.

지금까지는 2개의 구동코일을 사용하는 본 발명의 예를 설명하였으나, 가격이 저렴한 발진기를 제작하여 어떤 특정의 목적으로 사용하려 할 때에는 단일의 전기자(19)만을 사용하고 그의 양단에 구동 코일과 픽엎 코일을 한개씩 실치하여 보다 경제적인 방법으로 발진기를 제작할 수도 있다.

반사경의 진폭을 크게하기 위해서는 봉의 상단의 진폭이 커야함은 필수 요건이다. 만일에 봉의 상단 부근에 전기자를 착설하고 이를 이용해서 봉을 구동 시킨다면 전기자가 구동되기 위해서 후레임의 만곡편사이의 에어 갭이 더 넓어져야만 된다. 그러나, 이렇게 되면, 이 에어 갭내에 자속의 밀도(flux density)가 낮아지기 때문에 봉의 진동이 비효율적으로 되며, 심지어는 봉의 작동이 불가능해질 수도 있다.

이러한 이유로 본 발명에서는, 구동용 전기자(19)를 가능한한 봉의 하단에 인접해서 착설함으로서, 에어 갭을 좁게하여 자속의 밀도를 크게 하도록 하였다.

뿐만 아니라, 이와같이 함으로서 구동 전기자가 조금진동(변위)해도 봉의 정상에 설치된 반사경의 진폭은 커질 수 있다. 봉의 정상부의 진폭과 구동용 전기자(19)의 봉에서의 위치 사이에는 다음과 같은 관계가 있다.

제5도에 표시된 바와 같이,

d=저판과 전기자(19)간의 거리

D=봉의 정상부와 전기자(19)간의 거리

Φ=전기자가 설치된 지점에서의 봉의 각 진폭

θ=봉의 정상부의 각 진폭

따라서 d와 D의 차이가 커지면 커질수록, 각 Φ에 비하여 θ가 커진다. 고로, 전기자를 저판에 인접해서 설치하면 할수록 봉을 조금만 진동 시켜도, 봉 정상에 설치된 반사경의 진폭은 더욱 커지게 된다.

보다 높은 주파수를 얻기 위해서는 비틀림봉을 더욱 격렬하게 진동 시켜야 하는바, 이와같이 하면 봉의중간 부에 노우드(node)가 생기게 되며, 픽엎 전기자가 구동전기자와 함께 동일한 위상으로 작동되지 않게된다. 2,000Hz의 경우 반사경의 변위는 10°이며, 10,000Hz의 경우는 오히려 적어도 3°밖에 되지 않음이 발견 되었다.

앞서 지적한 바와같이, 발진기의 기계적 대역폭을 확장시키기 위해서 또 발진기가 비교적 광범위한 주파수에도 원활히 작동 되도록 하기 위해서, 비틀림 발진기의 Q의 값을 감소시킬 필요가 있다. Q의 값을 감소시키려면, 비틀림봉(10)을 감쇄시켜야 하는바, 이 감쇄는 제6도에 도해되어 있는 바와같이, 10X로 표시된 봉의 부분과 10Y로 표시된 부분간의 유효 카풀링의 양을 증가시킴으르서 달성 가능하다.

이와 같이 카풀링을 증가시키면, 봉의 정상부에서 생긴 에너지의 일부는 P로 표시된 지점을 경유하여 봉에 설치된 전동기에 전달되고, 여기서 자계의 흡수효과에 의해서 감쇄된다. 감쇄의 정도는 카풀링의 크기, 자계의 강도 및 에어 갭의 구조와 함수 관계가 있음을 발견 하였다.

이와 같이, 카풀링이 감쇄를 가능케하는 이유는 다음과 같이 설명될 수 있다. 즉, 제7도에 도시된 바와같이, 비틀림 봉과 거울의 하중을 2개의 환으로 이루어진 전기 회로로 생각 한다면, 가능한 모우드(mode)중의 하나는 등가인닥탄스(L_m)로 표시된 봉의 하중 관성(慣性)과 등가 캐패시티(C_T)로 표시된 봉의 경사진 부분(10X)의 탄성계수의 결과로서 나타날 것이며, 또 다른 모우드는 등가 인닥탄스(L_a)로 표시된 구동전기자의 관성과 캐패시티(C_ST)로 표시된 봉의 곧은 부분(10Y)의 탄성 계수로서 구성된 진동일 것이다.

훅크(Hook)의 법칙으로 이미 널리 알려진 바와같이, 비틀림 봉 및 기타의 어떤 형태의 탄성체의 장력(tension)은 이 탄성체에 가해진 힘에 의하여 생긴 변위에 정비례(탄성한계내에서)하며, 또 이때 변위와 장력간의 비례 상수를 탄성계수라 칭한다. 봉의 10X 부분과 10Y 부분의 카풀링 정도는 이들 각 부분의 탄성 계수의 비율에 의하여 조정되며, 탄성계수가 서로 동일할때 카플링은 최대가 된다.

이들 탄성계수(이는 전기 회로에서 캐패시터에 비유될 수 있음)의 값이 서로 비슷한 경우, 반사경의 하중과 구동 전기자간의 카풀링은 증가된다. 어떤 특정한 주파수를 갖는 봉에 대하여, 이와 같이 카풀링을 증가시키는 것은 경사진 부분을 더욱 경(硬)하게 하여, 즉 그 부분의 기울기를 감소시키고 또한 곧은 부분(10Y)의 직경을 감소 시킴으로서 달성 가능함을 아래의 관계로부터 알 수 있다.

식중,

W =합성 주파수(resultant frequency)

W₁=10X부분의 각 주파수(angular frequency)

W₂=10Y부분의 각 주파수(angular frequency)

W_b=카풀링 각 주파수(coupling angular frequency)

카풀링이 증가함에 따라, 반사경의 하중 때문에 생기는 에너지가 더욱 더 전동기에 흡수되고, 그 결과γ발진기의 Q는 저하되고 또 기계적인 대역폭은 확장된다. 이때 자기 바이어스(magnetic bias))에 의하여 생긴 힘은 최적하게 활용되어 최대 감쇄를 얻게해 준다. 이와같이 최대 감쇄효과를 얻기 위해서는 자기회로의 조작한계를 선정할 때, 자기회로(magnetic circuit)바이어스 자석(bias magnet)의 최대 에너지로 작동하게 하여야 한다.

비록 위에서는 본 발명을 발진기에 대하여만 이용 가능한 것으로 설명 하였으나, 기타 이와 유사한 기계류에도 본 발명의 원리가 이용될 수 있다.

Claims (1)

1. 본문에 상술하고 도면에 예시한 바와같이, 봉(10)의 (10X)부분과 (10Y)의 부분이 서로 거의 동일한 탄성 계수를 갖도록 하여 이들 두 부분간에 카풀링을 생성 시켜서 발진기의 감쇄 및 기계적 대역폭을 넓게 함으로서 구동 신호의 주파수가 봉의 고유 주파수와 다른 경우에도 이에 구애됨이 없이 발진기가 연속적으로 유효하게 기능을 발휘할 수 있도록 함을 특징으로 하고, 하단이 저판에 고설되어 있으며 고유 진동수가 변하는 l개의 수직 비틀림 봉과, 이 봉의 상단(자유단)에 설치되어 함께 진동하는 광소자(光素子)와 봉의 하단 부근에 설치된 전기자와 함께 발전기로 부터 공급된 주기적인 신호에 응하여 상술한 봉을 그의 고유 주파수로 진동 시킬 수 있는 우력을 발생 시키는 전자석을 내포하는 전동기로 구성된 토오숀 발진기.

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