KR970003228B1 - 광섬유 케이블 - Google Patents

Abstract

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Description

광섬유 케이블

제1(a)도는 본 발명의 제1특성에 따른 홈이 파인 스페이서를 이용한 광섬유 케이블의 횡단면도.

제1(b)도는 본 발명의 제2특성에 따른 광섬유 케이블의 횡단면도.

제2도는 레이(lay) 반전 각도의 한정을 나타내는 다이어그램.

제3도는 주어진 간격으로 주기적으로 반전되는 레이의 방향을 가진 광섬유 케이블을 도식적으로 나타내는 도면.

제4도는 제3도에 도시된 광섬유 케이블의 2차원적 도면.

제5도는 광섬유에서 레이 반전 각도와 벤딩 스트레인 사이의 이론적 관계를 나타내는 그래프.

제6도는 케이블 벤딩 방향의 한정을 나타내는 도면.

제7도는 광섬유에서 레이 반전 각도와 벤딩 스트레인 사이의 실험적 관계를 나타내는 그래프.

제8도는 벤딩 스트레인을 묘사하는 다이아그램.

본 발명은 광섬유 케이블에 관한 것이며, 특히, 주기적으로 반전되는 방향으로 중심부재 주위에 나선형으로 감겨진 최소한 하나의 광섬유를 가진 개선된 광섬유에 관한 것이다.

광섬유 케이블을 통상적으로 스페이서내의 나선형 홈에 한방향으로 꼬인 광섬유를 수용하여 제조되어 왔다.

광섬유 작동의 효율 및 신뢰도를 개선하는 관점에서, 주어진 간격으로 나선 방향으로 반전된 스페이서내의 나선형 홈에 수용되어 있는 광섬유가 일본국 특허원 제126238/1977호에 제안되었다. 이 방법은 광 케이블 작동의 효율 및 신뢰도를 개선하는데 효과적이다. 그러나 단일 레이-방향 설계의 광섬유 케이블에서 발생하지 않았던 새로운 문제점이 제기되었다. 그 문제점은 광 케이블의 벤딩(bending : 구부러짐)에 기인한 증가된 전송 손실과 케이블이 구부러지는 방향상의 손실의 의존도이다. 360° 포인트마다 나선 방향으로 반전된 스페이서내의 나선형 홈내에 수용된 광섬유를 가진 케이블이 100mm의 반경으로 구부러질 때 1%를 넘지 않는 스트레인(응력)이 광섬유에서 발생한다는 것이 이론적으로 및 실험적으로 논증되었다. 통상적으로 내성 테스트에서 제조된 광섬유를 가리기 위한 기준으로서 사용되는 내성 강도 레벨은 0.7%이고 1%스트레인은 광 전송 손실과 광섬유수명의 단축 때문에 허용될 수 없다.

광섬유를 제조하기 위한 다른 종래의 접근 방법은 중심부재 주위에 한 방향으로 나선형 통로를 따라가도록 꼬인 다수의 광섬유를 감는 것이다. 이 방법에 의한 케이블링의 작동의 효율 및 신뢰도를 개선하기 위해, 일본국 실용신안공보 제39362/1980호가 제안되었는데, 여기서 광섬유는 세로방향으로 적당한 간격에서 주기적으로 반전되는 레이의 방향으로 공통중심부재의 외부 표면을 따라 꼬여 있다. 이 방법도 케이블링 작동의 효율 및 신뢰도를 개선하는데 효과적이지만 앞에서 논의된 광 전송 손실 및 광섬유수명의 단축에 대해 일본국 특허원 제126238/1977호에 공개된 방법과 동일한 단점을 갖는다.

예를 들어, 매 360°포인트마다 200mm 의 간격으로 반전되는 레이의 방향에 대해 9mm의 외부 직경을 가진 중심부재 주위에 광섬유를 주기적으로 감아 구성된 케이블100mm의 반경으로 구부러질 때 광섬유에서 1% 스트레인 이상이 발생한다는 것이 이론 및 실험적으로 보여졌다.

위에서 인용된 두가지 종래 특허에서 보여준 광섬유 케이블이 좋지 않은 벤딩 특성을 갖는 이유는 분명하지 않다. 케이블이 구부러지는 방향과 관계없이 최소 스트레인의 발생을 보장하는 레이 반전각도에 대한 완전한 설계 고려가 아직 이루어지지 않았다. "레이 반전 각도"란 용어는 그 각도를 통해 광섬유가 나선 방향의 한반전 포인트로부터 그다음 반전 포인트까지의 거리에 걸쳐 중심부재의 원주방향으로 회전되는 각도를 의미한다. 이 용어의 정의가 제2도에 그래프로 도시되어 있다. 레이의 방향의 반전이 중심부재(1)상의 포인트 F1에서 시작하여, 레이 방향이 다시 한번 반전되는 포인트 F2에서 끝날 때, 광섬유가 중심부재(1)의 원주방향으로 회전되는 각도가 광섬유의 "레이 반전 각도"로서 지정된다.

그러므로 본 발명의 목적은 종래의 설계와 관련된 문제가 없고 최적의 레이 반전 각도의 특성을 나타내는 광섬유 케이블을 제공하는 것이다.

그 제1특성에 따라, 본 발명은, 스페이서내의 나선형 홈이 나선 방향의 한 반전 포인트로부터 그 다음 포인트 까지의 거리에 걸쳐 상기 스페이서의 원주 방향으로 회전되는 각도를 나타내는 레이 반전 각도ø가 230°와 330°사이값으로 설정되는 것을 특징으로 하는, 나선 방향으로 주기적으로 반전되는 스페이서내의 나선형 홈에 수용된 광섬유를 가진 광섬유 케이블을 제공한다.

양호한 실시예에 있어서, 레이 반전 각도는 360°×n(n은 양의 정수)이 230°와 330°사이의 상기 지정된 값에 더해질 수도 있도록 되어 있다. 보다 양호한 실시예에서, 레이 반전 각도는 약 275°또는 275°+360°×n(n은 양의 정수)으로 설정된다.

본 발명의 제2특성에 따라 제공되는, 적당한 간격으로 주기적으로 반전되는 레이의 방향에 대해 공통 중심부재의 외부 표면을 따라 나선형으로 꼬인 다수의 광섬유를 가진 층-꼬임 광섬유 케이블에 있어서, 광섬유의 레이가 레이의 방향의 한 반전 포인트로부터 그 다음 포인트까지의 거리에 걸쳐 중심부재의 원주방향으로 회전되는 각도를 나타내는 레이 반전 각도ø가 240°와 310°사이의 값으로 설정되는 것을 특징으로 한다.

양호한 실시예에 있어서, 레이 반전 각도는 상기 지정된 240°와 310°사이의 값에 360°×n(n은 양의 정수)이 더해질 수도 있도록 되어 있다. 보다 양호한 실시예에서, 레이 반전 각도는 약 275°또는 275°+ 360°×n(n은 양의 정수)으로 설정된다.

본 발명은 이후, 제1(a)도에 도시된 바와 같이 홈이 있는 스페이서를 사용한 형태의 광섬유 케이블을 참조하여 설명된다. 그러나, 다음 설명은 또한 제1(b)도에 도시된 층-꼬임 광 케이블에 대해서도 유효하다는 것을 알아야 한다. 제3도는 주어진 간격에서 주기적으로 반전되는 레이 방향으로 가진 광섬유 케이블을 도시하는 도면이다. 제3도에서, 참조번호 3은 홈이 있는 스페이서와 동등한 중심부재를 나타내며, 4는 주어진 간격에서 주기적으로 반전되는 레이 방향을 가진 나선형 홈내에 수용된 광섬유이다. 제4도는 제3도에 도시된 광섬유 케이블의 2차원적 도면이며, 포인트 A가 중심으로서 참조된다. 제3도 및 제4도에서의 모델에서 광섬유(4, 2)가 각각 홈 내에 꽉 조여져 있다고 하자. 도면에서 참조번호4, 7, 16은 각각 묶지 않은 광섬유가 될 수도 있고 또는 묶어지거나 꼬인 광섬유 유니트가 될 수 있는 다수의 광섬유나 또는 단일 광섬유를 나타낼 수도 있다.

만일 제3도에 도시된 중심부재(3)가 χ축의 양의 방향으로 위치된 벤딩 중심을 가진 χ-z평면에서 구부러져 있다면, 압력 스트레인은 제4도에 도시된 광섬유 유니트의 부분B-A와 A-D에서 발생하며, 장력 스트레인은 동일한 광섬유 유니트의 부분C-B와 D-C에서 발생한다. 만일 제2도에 도시된 레이 반전 각도 ø가 180°이하이면, 압력 스트레인은 광섬유 유니트의 전 부분에서 발생한다. 이 문제를 피하기 위해, 제1(a)도에 도시된 형태의 광 케이블은 통상적으로 레이 반전 각도ø가 보다 작지 않는 그런 방식으로 설계된다.

본 발명자는 제1도에 도시된 형태의 광섬유 케이블에 공통적으로 사용되는 360°의 레인 반전 각도의 경우에 대해 이론적으로 고찰하였다. 이 이론적 고찰은 이후 상세하게 설명된다. 그 결과, 광섬유가 제3도를 참조하여 언급된 바와 동일한 방향으로 구부러진 케이블에 대해 이동의 자유를 가질 때, 광섬유에서 발생하는 네트 스트레인, 즉 장력 스트레인과 압력 스트레인 사이의 차이가 실질적인 정조를 유지되게 되며, 그러므로 무시될 수 없게 된다. 이것은 본 발명에 의해 유도된 스페이서를 사용하는 제1(a)도에 도시된 종래의 광섬유 케이블이 좋지 못한 벤딩 특성의 원인되는 것으로 추측되었다.

본 발명자의 이론적 고찰은 제1(a)도에 도시된 형태의 광섬유 케이블이 구부러졌을 때 광섬유에서 동일한 양의 장력 스트레인과 압력 스트레인을 발생하게 되는 레이 반전 각도의 결정과 함께 시작되었다. 제3도에 도시된 모델을 참조하여, 포인트 F₁및 F₂로 한정되는 광섬유 단면의 기하는 다음 방정식(1)으로 표현될 수 있다.

여기서 a는 원점 0과 포인트 A 사이의 거리이며, θ는 χ축이 χ-y평면에서 반경 벡터와 함께 형성하는 각도이며, ø는 레이 반전 각도이고, P는 광섬유에 의해 수반되는 나선형 통로의 핏치이다. 광섬유 상의 포인트 F₁및 F₂에 의해 한정되는 라인 L₀의 길이는 방정식 셋트(1)로부터 결정될 수 있다.

만일 광 케이블 모델에서 중심부재(3)가 χ축과 α의 각도를 이루는 방향으로 반경 R에서 구부러진다면, 다음 방정식 셋트(2)는 상기 방정식 셋트(1)로부터 유도될 수 있는데 그 상세한 수학적 계산은 생략된다.

중심부재가 χ축에 대해 α의 각도를 이루는 방향으로 반경 R에서 구부러졌을 때 광섬유(4)상의 포인트F₁및 F₂에 의해 한정되는 라인 L_R의 길이는 상기 방정식 세트(2)로부터 결정될 수 있다.

광섬유(4)상의 포인트 F₁및 F₂사이에서 발생하는 스트레인 ε(%)은 다음 방정식(3)으로부터 계산될 수 있다.

제3도로부터 명백한 바와같이, ε은 그것이 형성되는 핏치의 반, P/2를 커버링하는 광섬유(4)의 단면에서 발생하는 스트레인을 나타낸다. 명백하게, 레이 반전 각도는 상기 스트레인 0을 만드는 값으로 설정되는 것이 가장 바람직하다.

케이블이 100mm와 300mm의 반경(R)에서 구부러질 때 방정식(3)에서의 ε과 P=400mm와 a=4mm에 대한 레이 반전 각도 사이의 관계를 결정하기 위한 이루어진 이론적 고찰의 결과가 제5도에 묘사되어 있다. R=100mm에 대한 결과는 실선으로 표시되어 있으며 R=300mm에 대한 결과는 점선으로 표시되어 있다. y축은 제2도에서 정의된 레이 반전 각도ø를 나타낸다. 각 스트레인 곡선의 양 단부에서 바위에 있는 숫자는 케이블 벤딩 방향을 한정하기 위해 제6도에 도시된 다이아그램에 참조되는 각도를 나타낸다.

제5도에 도시된 결과는, 만일 레이 반전 각도가 약 275°이면, 광섬유에서 발생하는 네트 스트레인이 0으로 축소되어 광섬유가 위에서 지정된 상태하에서 구부러지는 방향 및 반경에 아무문제가 없게 된다는 것을 나타낸다. 논의중의 광 케이블을 광섬유가 주기적으로 반전되는 방향을 가진 원통형 스페이서내의 나선형 호멩 꼬여서 조여 있는 그런 구조로 이루어지기 때문에, 위에서 개설된 계산에 의해 결정되는 레이 반전 각도의 양호한 값인 275°에 360°가 더해져도 동일한 결과가 얻어진다는 것도 또한 명백하다.

위에서 기술된 이론적 고찰의 응용 가능성을 설명하기 위해 광 케이블의 샘플이 제조되어 다음 절차로 테스트되었다. 400mm의 핏치에서 레이의 방향으로 주기적으로 반전되는 나선형 홈을 각각 가진 9mm의 외부 직경을 가진 5개의 스페이서가 제공된다. 배어(bare)광섬유가 각 스페이서내의 나선형 홈에 단단하게 조여져 있고 그 양단부에서 스페이서에 고정되어 있다. 제5도에 따른 최대 스트레인을 발생하게 되는 방향으로 구부러졌을 때 각각의 샘플에서 광섬유내에서 발생하는 스트레인은 위상 이동 방법에 의해 측정되었는데, 여기서, 광은 한 단부에서 광섬유내로 발사되며, 발생되는 어떠한 광섬유 연장도 다른 단부에서 수신되는 광의 위상에서의 변화를 검출함으로써 측정되었다. 그 결과는 제7도에서 R=100mm에 대해서는 실선으로 도시되었고, R=300mm에 대해서는 점선으로 도시되었다. 제7도에 도시된 실험 결과는 제5도에 도시된 이론적 계산으로 얻어지는 것과 실질적으로 일치한다.

광섬유 케이블은 케이블 직경의 반경 20∼30배에서의 벤딩이 장기간 서비스에도 견딜수 있으며, 케이블 직경의 반경 약 10배에서의 벤딩은 단기간 서비스에 견딜수 있도록 설계된다. 그러므로 전송 손실과 섬유 수명의 관점에서, 변형에 대한 섬유강도가 장기간 서비스용 일반 강도 레벨의 0.2%를 초과하지 않으며, 단기간 서비스용의 0.7%를 초과하지 않을 것이 요구된다.

이론적인 계산을 위한 모델로 사용된 광섬유 케이블은 10mm의 외부 직경을 가지며, 벤딩 반경R은 케이블직경의 30배이면 300mm이고 10배이면 10mm가 된다. 제7도에 도시된 실험 결과와 제5도에 도시된 이론 계산의 결과는 상술된 순변형의 허용범위를 광섬유가 만족하기 위해 ( 0.2%장기간 서비스 1 및 0.7%단기간 서비스). 층반전각은 240°내지 310°사이에 있어야 한다. 스페이서내에서 헬리컬 홈에 구속되어 조립될 때, 광섬유 강도를 위해 0.1%의 허용 공차가 인정되므로, 섬유에서 발생할 수 있는 변경은 충반전각이 230∼330°사이에 있어도 허용범위내에 있게 된다. 제5도의 설명에서 지적한 바와같이, 층반전각의 최적 범위에 360°의 적분곱을 가산하더라도 제1(a)도에 도시된 형태의 광섬유 케이블에서는 동일한 결과가 얻어져서, 230°+360°의 범위에서 330°+ 360°× n(n은 영 또는 정수)까지 신장된다.

광섬유의 각종 외부 직경에 대하여는, 상기 결과는 광섬유의 나섬 핏치를 적절히 선택하여 동일하게 적용될 수 있다.

이 결과를 증명하기 위해 다음 수학 연산을 행한다.

주어진 간격에서 주기적으로 반전되는 층의 방향과 광섬유를 개략적으로 도시하는 제3도를 참조하면, 케이블이 χ-z 평면으로 휘어질 때, 방정식(1)에 의해 표시된 3차원 공간곡선은 z-성분에 기인한 변형을 발생시킨다는 것을 알 수 있다. 벤딩 변형을 도시하는 다이어그램을 도시하는 제8도에서, z방향의 광섬유에서 특정 지점에서선 dz의 소부분이 반경 R에서 휘어지면, 이 부분의 길이는 (R+X)dξ증가한다. 중심선의 길이가 변하지 않으므로 이 관계는 명백하다.

그러므로 이 관계는,

제5방정식에서, d△1z 또는 반경 R에서 휘어지는dz의 연장 (χ가 부극성 값을취한다면)은 Dy로 된다.

다음 계산의 용이를 위해 다음 함수에 의해 표현되는 변수 t에 식(1)에 셋트에서 변수 θ를 변환하면,

방정식(1)에 식(7)을 대입하면, 그리고 식(6)을 대입하면, 제3도에 도시된 F₁및 F₂사이에서 발생하는 총연장은,

명백하기도, 층반전각ø의 최적값을 방정식(8)의 적분값이 제로가 되도록 한다.

광섬유가 χ축으로 α의 각을 발생시키는 방향으로 반경 R에서 휘어지면 (제6도), 제3도의 F₁과 F₂사이에서 발생하는 총 연장은 다음과 같이 표시된다.

이 식은 α=0의 경우 즉, 케이블이 χ- z 평면으로 휠때의 식(8)과 등가이다.

적분하면,,

는 제로 차수의 베셀 함수이다.

의 1차의 영점을 결정하면,

ø의 각 표시는 ø=275°이다. 제2 및 고차에 대한 영점은 약 275°와 360°의 적분급의 합산값의 근처에 위치한다.

상기 설명은 360°이하에서 275°의 층반전각이 벤딩 반경 R과 광섬유의 나선의 핏치 P의 각각에 최적 결과를 보장한다.

본 발명의 광섬유도 두가지 특징으로 참조된다.

광섬유의 샘플은 본 발명의 제1특징과 협동하여 제조된다. 제1(a)도에 도시된 바와 같이, 이 케이블은 주어진 간격에서 주기적으로 반전된 방향으로 스페이서에서 나선 홈에 수용된 광섬유를 가진다. 6으로 표시된 스페이서에는 280°의 층반전각, 400mm의 나선 핏치 P, 9mm의 외부직경을 가지는 4개의 나선홈이 제공된다. 광섬유 유니트(7)는 스페이서 주변에 싸여진 플라스틱 홀딩 테이프(8)로 형성된 4개의 동공에 각각 수용된다. 플라스틱 테이프(8)는 PE LAP 외장(5)으로 덮여있다. 케이블 구조는 그 중심에 텐션 부재(9)를 가진다.

이 광 케이블이 100mm의 반경으로 휘어질 때, 0.2%이상의 변형은 생기지 않는다. 벤딩 반경이 300mm일 때, 변형은 0.1%이하이다.

상기 설명은 n이 제로일 때 관한 것이며, 그러나 본 발명이 이 예에만 국한되는 것은 아니다, n이 제로가 아닐때에, 본 발명의 장점은 n이 정극성 정수를 가지는 한 동일하게 얻어질 수 있다. 분기용 광섬유의 단부 처리를 위해 최대 길이를 제공하기 위하여, S방향으로 회전하는, 개별 광섬유의 층의 방향이 z방향으로 수회 회전을 시작하기 위해 반전되는 홈 형성된 스페이서를 사용하는 것이 통례이다. 케이블 설계의 예로서 n=10의 홈형스페이서를 사용하는 샘플이 제조된다(도시안됨), 이 스페이서에는 9mm의 외각 직경을 가지는 4개의 나선 홈이 제공되며, 이 홈은 200mm의 핏치에서 S방향으로 광 섬유로 10회전하게 하는 형태를 가진다. 그러면, z방향에서 섬유의 10회전에 수반하여 층의 방향은 275°에서 반전된다. 3개의 피복되지 않은 광섬유는 스페이서 주변을 둘러 싼 플라스틱 홀딩 테이프에 의해 형성된 4개의 동공에 각각 적용된다. 이 플라스틱 테이프는 케이블을 형성하기 위해 PE LAD외장으로 피복된다. 케이블이 층반전 위치 근처에서 100mm의 반경으로 휘어질 때, 0.15% 이상의 변형은 발생하지 않는다. 동일 휨 테스트라 360°의 층반전 각을 가지는 광섬유 케이블에 행해졌을 때, 약 0.25%의 변형이 발생한다.

본 발명의 제2특징에 의해 광섬유의 샘플이 제조된다. 제1(b)도에 도시된 바와 같이, 이 케이블은 주어진 간격에서 주기적으로 반전되는 층의 방향으로 중앙부재의 외부면상에 나선형 통로를 따르도록 꼬여진다. 광섬유유니트(16)는 중심부재(17)(외부 직경9mm) 주변에서 꼬여지며, 매 280°지점마다 200mm의 간격에서 반전되는 방향으로 조립된다. 조립된 광 섬유 유니트는 플라스틱 홀딩 테이프(도시 안됨)로 피복되며, 케이블을 형성하도록 PE LAD 외장으로 피복된다.

이 광섬유가 100mm의, 반경으로 휘어질 때, 0.2%이하의 변형이 발생된다. 휨 반경이 300mm일 때, 섬유에 발생 되는 변형은 0.1%이하이다.

본 발명의 제1, 2특징에 사용된 n의 정확한 값은 케이블, 그의 외부직경, 광섬유 유니트의 수, 조립장치의 크기에 따라 결정된다. 그러나 본 발명의 근본은 n의 수에 무관하고 개별 광섬유층의 방향이 반전되는 지점에 대하여 최적 층반전각의 결정에 관련된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 제1특징에 따르는 광섬유는 나선 방향에서 주기적으로 반전되는 스페이서에서 주기적 홈에 수용되는 광학 섬유를 가지며 최적 광학 층반전각 ø가 다음 조건을 만족하도록 조정된다.

230°+ 360°× n≤ø≤330°+ 360°× n여기서 n은 영 또는 양의 정수, 이 특징과 협동하는 광섬유 케이블은 스페이서의 나선홈에서 한 방향으로 꼬여진 광섬유를 수용하여 제조되는 종래의 광 케이블과 비교하여 상당한 원가절감을 할 수 있는 장점이 있다. 또한, 이 케이블은 케이블이 휘는 방향으로 전송 손실이 거의 영향을 받지 않으며, 이것은 주어진 간격에서 나선 방향으로 주기적으로 반전되는 스페이서의 나선홈에 광섬유가 수용되는 본 발명에 의해 해결되는 문제점이다.

본 발명의 제2특징에 따르는 광섬유 케이블은 주어진 간격에서 주기적으로 반복되는 층의 방향으로 중심의 외부 표면을 따라 나선 통로를 수반하도록 꼬여진 복수의 광섬유를 가지며 층반전각ø는 다음 조건을 만족하도록 조정되는 것을 특징으로 한다.

240°+ 360°× n≤ø≤310°+ 360°× n여기서 n은 제로이거나 양의 정수, 이 특징과 협동하는 광섬유는 스페이서의 나선홈에 한 방향으로 꼬여진 광섬유를 수용하여 제조되는 종래의 광섬유에 비하여 상당한 원가절감이 있다.

또한 종래의 층이 꼬여진 광섬유 형태의 문제점인 케이블 휨 방향상의 전송 손실은 거의 없다.

Claims (3)

1. 주기적으로 반전되는 중심부재를 둘러싸고 나선형으로 감긴 광섬유를 가지는 광섬유 케이블에서, 나선 방향의 한 반전 지점에서 다음 반전 지점까지의 거리에 걸쳐서 중심부재의 주변 방향으로 회전하는 광섬유가 n이 제로이거나 양의 정수일 때 275°± 55°+ 360°× n의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 광섬유 케이블.
2. 제1항에 있어서, 상기 광섬유 케이블은 중심부재의 외부 표면에 제공되고 층반전각ø는 n이 제로이거나 양의 정수일 때 240°+ 360°× n≤ø≤310°+ 360°× n의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 광섬유 케이블.
3. 제1항에 있어서, 상기 중심부재는 외부 표면에서 최소한 하나의 나선 홈을 가지는 스페이서이며, 이 나선홈은 광섬유를 수용하고 그의 방향을 주기적으로 반전하고, 층반전각은 n이 제로이거나 양의 정수일 때 230°+ 360°×n≤ø≤330°+ 360°× n의 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 광섬유 케이블.

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