CN211713247U - 一种快速确定稳温埚位单晶炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种快速确定稳温埚位单晶炉，包括炉盖和炉体，在炉盖外壁设有CCD摄像机，在炉体内部设有导流筒、石英坩埚和籽晶，在炉体外侧设有与CCD摄像机电连接的显示器，CCD摄像机置于导流筒斜上方一侧，在炉盖外壁设有用于固定所述CCD摄像机的固定装置，固定装置并行于炉盖外壁并使CCD摄像机垂直于炉盖外壁设置；籽晶和导流筒投影同轴置于显示器图形界面内并形成几何图形，石英坩埚内硅液面投影置于籽晶和导流筒投影之间并远离籽晶投影一侧设置；籽晶投影与显示器图形界面中心重合。本实用新型可快速找到稳温埚位的位置，精准度高且适普性强，不仅能保证单晶生长稳定而且还降低单晶晶线断棱次数，提高生产效率，保证产品质量。

Description

一种快速确定稳温埚位单晶炉

技术领域

本实用新型属于直拉硅单晶拉制技术领域，尤其是涉及一种快速确定稳温埚位单晶炉。

背景技术

CZ法生长硅单晶工艺过程包括装料、熔料、稳温、引晶、放肩、转肩、等径和收尾，熔料过程就是硅料熔化过程，而硅料全部熔化后，熔体必须稳定一段时间以达到熔体温度和熔体流动的稳定，这一过程即为稳温。如果温度过低，籽晶会沿液面凝固，温度过低熔接不充分缩颈后将很难生长出合格的单晶；如果温度过高就会熔断籽晶，无法正常引晶。在稳温过程中需要确定稳温埚位，即导流筒下沿与熔硅液面的距离，若埚位偏低，引晶较为困难，晶体成晶率低；若埚位偏高，在等径过程中容易发生液面抖动，造成晶体断棱；故，稳温埚位对稳温温度的控制有直接影响，决定着后续引晶能否成功、长晶是否顺利，是单晶硅棒拉制的关键工艺。

中国专利CN109829638A公开了一种基于图像的埚位控制装置和方法，埚位的确定是根据被捕捉信号点之间的像素值与系数相乘所得。而这种方法，对于捕捉信号点是需要依赖经验进行确定，确定捕捉点后再通过CCD摄像机采集炉内光信号，经过信号转换最终输出像素值，这种方法无法量化。对于不同炉台、不同时间确定稳温埚位的结果，相差较大且不稳定，稳温过程的控制能力不足，影响单晶正常成晶，严重时会增加单晶晶线断棱的次数，无法保证产品质量。

实用新型内容

本实用新型要解决的问题是提供一种快速确定稳温埚位单晶炉，解决了现有技术中需人工凭经验来确定稳温埚位导致单晶成晶率低的技术问题，本实用新型可快速找到稳温埚位的位置，精准度高且适普性强，不仅能保证单晶生长稳定而且还降低单晶晶线断棱次数，提高生产效率，保证产品质量。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种快速确定稳温埚位单晶炉，包括炉盖和炉体，在所述炉盖外壁设有CCD摄像机，在所述炉体内部设有导流筒、石英坩埚和籽晶，在所述炉体外侧设有与所述CCD摄像机电连接的显示器，其中：

所述CCD摄像机置于所述导流筒斜上方一侧，在所述炉盖外壁设有用于固定所述CCD摄像机的固定装置，所述固定装置并行于所述炉盖外壁并使所述CCD摄像机垂直于所述炉盖外壁设置；

所述籽晶和所述导流筒投影同轴置于所述显示器图形界面内并形成几何图形，所述石英坩埚内硅液面投影置于所述籽晶和所述导流筒投影之间并远离所述籽晶投影一侧设置；

所述籽晶投影与所述显示器图形界面中心重合。

进一步的，所述显示器图形界面为正方形结构，所述导流筒投影相对于所述显示器图形界面中心轴线对称设置。

进一步的，所述硅液面投影相对于所述显示器图形界面纵向中心轴线对称设置。

进一步的，所述导流筒投影水平直径两端点分别距离所述显示器图形界面纵向边界的长度相同。

进一步的，所述导流筒投影水平直径两端点距离所述显示器图形界面纵向边界的长度均为0-10mm。

进一步的，所述显示器图形界面任一对角线分别与所述硅液面投影和所述导流筒投影的连接点直线距离为一定值。

进一步的，所述显示器图形界面任一对角线分别与所述硅液面投影和所述导流筒投影的连接点的直线距离为12-14mm。

进一步的，所述固定装置包括底座、侧板和调节架，所述底座与所述炉盖连接，所述侧板连接所述底座和所述调节架设置，所述调节架置于所述底座上方；所述CCD摄像机贯穿所述调节架并置于所述调节架靠近所述侧板一侧设置。

进一步的，所述底座与所述调节架并行设置，均垂直于所述CCD摄像机轴线设置。

进一步的，所述侧板置于所述CCD摄像机靠近所述炉盖端口一侧设置。

本实用新型提供一种快速确定稳温埚位单晶炉及其控制方法，可量化稳温埚位，并可快速找到稳温埚位的位置，最大限度地降低不同炉台、不同时间寻找稳温埚位偏差量，保证稳温埚位位置的一致性；提高了稳温过程控制能力，保证单晶生长稳定，提高单晶品质，使断棱次数降低10％。

附图说明

图1是本实用新型一实施例的一种快速确定稳温埚位单晶炉的结构示意图；

图2是本实用新型一实施例的CCD摄像机与固定装置装配的结构示意图；

图3是本实用新型一实施例的CCD摄像机与固定装置装配的俯视图；

图4是本实用新型一实施例的显示器图形界面的结构示意图。

图中：

10、炉盖 20、炉体 30、CCD摄像机

40、固定装置 41、底座 42、侧板

43、调节架 431、安装孔 44、直角架

50、籽晶 60、导流筒 70、硅液面

80、显示器 81、显示界面

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

本实施例提出一种快速确定稳温埚位单晶炉，如图1所示，包括炉盖10和炉体20，在炉盖10的外壁设有CCD摄像机30，在炉体20的内部设有导流筒60、石英坩埚和籽晶50，在炉体20的外侧设有与CCD摄像机30电连接的显示器80。其中，籽晶50置于导流筒60内侧并与导流筒60均位于石英坩埚的正上方，在石英坩埚内置有熔融的硅液，导流筒60至硅液面70之间的垂直距离即为稳温埚位的位置。CCD摄像机30固定设置在导流筒60的斜上方一侧，在炉盖10的外壁上固定设有用于固定CCD摄像机30的固定装置40，固定装置40并行固定在炉盖10的外壁，使CCD摄像机30的探头垂直于炉盖10外壁并向炉体20内拍摄。

对于同一型号的不同炉台，其炉盖10上固定CCD摄像机30的位置是一定的，而CCD摄像机30的位置是通过固定装置40来调节并固定的，进而固定装置40安装CCD摄像机30的位置是否统一将会直接影响CCD摄像机30观察导流筒的稳温埚位的一致性。

如图2-3所示，CCD摄像机30贯穿固定装置40置于炉盖10的外壁上，固定装置40包括底座41、侧板42和调节架43，其中，侧板42固定设置在CCD摄像机30靠近炉盖10上端面开口一侧设置，侧板42连接底座41和调节架43设置；调节架43固定设置在底座41的正上方且底座41与调节架43并行设置，底座41与调节架43均垂直于CCD摄像机30的轴线设置；CCD摄像机30贯穿调节架43并固定在调节架43靠近侧板42一侧设置。

具体的，底座41下端面与炉盖10外壁的法兰连接，底座41的结构与炉盖10外壁的法兰结构相适配，在法兰上设有玻璃，在本实施例中，底座41为长圆形结构，中间为中空结构与法兰上的玻璃面对位设置，CCD摄像机30的探头穿过底座41的中空结构透过玻璃面向炉体20中石英坩埚内的硅液面70观察拍摄，CCD摄像机70拍摄到炉体20中籽晶50、导流筒60的下沿和石英坩埚中的硅液面70的投影影像通过光学信号转换为数字信号在显示器80中的图形界面81内显示出来，结构如图4所示，后详细说明。

如图2-3所示，底座41下端面靠近炉盖10上端开口一侧设有凹槽，凹槽与L型结构的侧板42下段面固定连接，通过螺栓依次将底座41、侧板42固定在炉盖10外壁的法兰上，侧板42垂直于底座41竖直向上悬空设置。调节架43为U型结构，调节架43与开口对位设置的中间面通过螺栓固定在侧板42远离底座41的一端，即固定在侧板42的上段部上，调节架43与底座41平行，调节架43与底座41均垂直于侧板42端面，调节架43两侧边设有并行设置的可调安装孔431，安装孔431沿调节架43两侧边高度方向设置，安装孔431位长圆形结构，置于调节架43两侧边中间位置。CCD摄像机70贯穿调节架43并通过螺丝以安装孔431靠近侧板42一侧为基准，固定在调节架43上。即统一所有炉盖10上CCD摄像机30的安装基准为以安装孔431靠近侧板42一端，将所有CCD摄像机30的安装位置统一，便于通过CCD摄像机30实现采集信号位置的一致性，以确保籽晶50、导流筒60下沿和硅液面70的投影位置的统一。

为进一步保证CCD摄像机30的安装的稳定性，可在CCD摄像机30远离侧板42一侧的对位面通过任一形状结构的直角架44连接，将螺栓贯穿安装孔431、直角架和CCD摄像机30的外壳，进而使CCD摄像机30与调节架43固定连接在一起，直角架44的下端面与底座41连接在一起。

如图1所示，CCD摄像机30与炉体外部设置的显示器70为电连接，调节CCD摄像机70的焦距，使CCD摄像机70拍摄到炉体20中籽晶50、导流筒60的下沿和石英坩埚中的硅液面70的投影影像通过光学信号转换为数字信号在显示器80中的图形界面81内显示出来，结构如图4所示。可看到籽晶50的投影和导流筒60下沿投影均同轴在在显示器80中的图形界面81内显示出来，并形成几何图形，在这一几何图形中，籽晶50的投影为小圆形结构，位于几何图形中心，导流筒60下沿投影是大圆形结构，显示出的是导流筒60下端沿的投影，相应的石英坩埚内硅液面70的投影位于籽晶50和导流筒60下沿投影之间并远离籽晶50的投影一侧设置，硅液面70与导流筒60形成一个月牙形结构。调整CCD摄像机30的焦距，校准籽晶50和导流筒60下沿投影位置，使籽晶50和导流筒60下沿投影中心均与显示器80中图形界面81的中心重合，也即是使籽晶50的投影中心与图形界面81中的几何图形的中心重合。在本实施例中，显示器80的型号为常规的任一与工业用CCD摄像机30配合的控制显示器，图形界面81的大小为正方形结构即可，在此不做具体限制。调整完CCD摄像机30的中心焦距后，导流筒60下沿投影相对于图形界面81的中心轴线对称设置，且硅液面70的投影相对于图形界面81的纵向中心轴线对称设置，即校准后，图形界面81的对角线的交点贯穿籽晶50投影的中心。通过统一安装CCD摄像机30的固定位置并校准所有炉台中CCD摄像机30的中心焦距，统一实现采集信号位置的一致性，使籽晶50的投影与图形界面81的中心重合。

再次调节CCD摄像机30的焦距调节环，统一所有图形界面81中的几何图形的画面大小，保证几何图形中的最大外圆即导流筒60下沿投影大小，以确保导流筒60下沿投影的水平直径两端点分别距离图形界面81的纵向边界的长度相同。如图4所示，导流筒60下沿投影的水平直径AB的两个端点A和B分别距离贯穿图形界面81中心的纵向边界中横向直线CD的两个端点C和D的长度相同，即CA段与BD段的长度相同。在本实施例中，CA段与BD段的长度均为0-10mm，这样就可保证统一所有单晶炉的CCD摄像机30的焦距的调节环，使导流筒60下沿投影的水平直径两端点A和B分别距离图形界面81的纵向边界C和D的长度相同，为后续量化导流筒60下沿距离硅液面70的距离做标准，优选地，CA段和BD段的长度为5mm。

以图形界面81的中心点为O，两个对角线均与硅液面70的投影和导流筒60下沿投影相交的交点分别为E、F和G、G，且相交点的连接直线EF和GH相同且对称设置，且连接点直线EF或GH的距离为一定值，同时在图形界面81上可做刻度标识，可直接读出连接点直线EF或GH的距离值，通过直接量化的数字即可知道稳温埚位距离是否在安全标准范围内。在本实施例中，连接点直线EF或GH的距离为12-14mm。这一距离即可量化表示稳温埚位距离在安全标准范围内，即可确定导流筒60下沿距离硅液面70中的实际距离是符合标准的，进而保证不同单晶炉、不同时间段中确定稳温埚位的一致性。

本实用新型设计的一种快速确定稳温埚位单晶炉，通过固定装置40对CCD摄像机30进行安装定位，使所有单晶炉上的CCD摄像机30的采集信号位置统一；再通过调节CCD摄像机30的焦距以确定显示器80的图形界面81中的几何图形的具体结构，进而可统一量化稳温埚位的位置，以最快速度确定导流筒60下沿距离硅液面70中的实际距离是符合标准的，进而保证不同单晶炉、不同时间段中确定稳温埚位的一致性，从而最大限度地降低不同炉台、不同时间寻找稳温埚位偏差量，保证稳温埚位位置的一致性；提高了稳温过程控制能力，保证单晶生长稳定，提高单晶品质。

一种快速确定稳温埚位的方法，包括炉盖10和炉体20，在炉盖10的外壁设有CCD摄像机30，在炉体20的内部设有籽晶50、导流筒60、和石英坩埚，在炉体20的外侧设有与CCD摄像机30电连接的显示器80，具体步骤包括：

固定：将CCD摄像机30固定在炉盖10的外壁上。

对于同一型号的不同炉台，其炉盖10上固定CCD摄像机30的位置是一定的，而CCD摄像机30的位置是通过固定装置40来调节并固定的，进而固定装置40安装CCD摄像机30的位置是否统一将会直接影响CCD摄像机30观察导流筒的稳温埚位的一致性。具体包括如下：

如图2-3所示，CCD摄像机30贯穿固定装置40置于炉盖10的外壁上，固定装置40包括底座41、侧板42和调节架43，其中，侧板42固定设置在CCD摄像机30靠近炉盖10上端面开口一侧设置，侧板42连接底座41和调节架43设置；调节架43固定设置在底座41的正上方且底座41与调节架43并行设置，底座41与调节架43均垂直于CCD摄像机30的轴线设置；CCD摄像机30贯穿调节架43并固定在调节架43靠近侧板42一侧设置。

具体的，底座41下端面与炉盖10外壁的法兰连接，底座41的结构与炉盖10外壁的法兰结构相适配，在法兰上设有玻璃，在本实施例中，底座41为长圆形结构，中间为中空结构与法兰上的玻璃面对位设置，CCD摄像机30的探头穿过底座41的中空结构透过玻璃面向炉体20中石英坩埚内的硅液面70观察拍摄，CCD摄像机70拍摄到炉体20中籽晶50、导流筒60的下沿和石英坩埚中的硅液面70的投影影像通过光学信号转换为数字信号在显示器80中的图形界面81内显示出来，结构如图4所示，后详细说明。

如图2-3所示，底座41下端面靠近炉盖10上端开口一侧设有凹槽，凹槽与L型结构的侧板42下段面固定连接，通过螺栓依次将底座41、侧板42固定在炉盖10外壁的法兰上，侧板42垂直于底座41竖直向上悬空设置。调节架43为U型结构，调节架43与开口对位设置的中间面通过螺栓固定在侧板42远离底座41的一端，即固定在侧板42的上段部上，调节架43与底座41平行，调节架43与底座41均垂直于侧板42端面，调节架43两侧边设有并行设置的可调安装孔431，安装孔431沿调节架43两侧边高度方向设置，安装孔431位长圆形结构，置于调节架43两侧边中间位置。CCD摄像机70贯穿调节架43并通过螺丝以安装孔431靠近侧板42一侧为基准，固定在调节架43上。即统一所有炉盖10上CCD摄像机30的安装基准为以安装孔431靠近侧板42一端，将所有CCD摄像机30的安装位置统一，便于通过CCD摄像机30实现采集信号位置的一致性，以确保籽晶50、导流筒60下沿和硅液面70的投影位置的统一。

为进一步保证CCD摄像机30的安装的稳定性，可在CCD摄像机30远离侧板42一侧的对位面通过任一形状结构的直角架44连接，将螺栓贯穿安装孔431、直角架和CCD摄像机30的外壳，进而使CCD摄像机30与调节架43固定连接在一起，直角架44的下端面与底座41连接在一起。

校准：调整CCD摄像机30，使籽晶50、导流筒60和石英坩埚内硅液面70均投影至显示器80中的图形界面81内并形成几何图形，并使籽晶50的投影中心与显示器80中的图形界面81的中心重合。

具体包括：

如图1所示，CCD摄像机30与炉体外部设置的显示器70为电连接，调节CCD摄像机70的焦距，使CCD摄像机70拍摄到炉体20中籽晶50、导流筒60的下沿和石英坩埚中的硅液面70的投影影像通过光学信号转换为数字信号在显示器80中的图形界面81内显示出来，结构如图4所示。可看到籽晶50的投影和导流筒60下沿投影均同轴在在显示器80中的图形界面81内显示出来，并形成几何图形，在这一几何图形中，籽晶50的投影为小圆形结构，位于几何图形中心，导流筒60下沿投影是大圆形结构，显示出的是导流筒60下端沿的投影，相应的石英坩埚内硅液面70的投影位于籽晶50和导流筒60下沿投影之间并远离籽晶50的投影一侧设置，硅液面70与导流筒60形成一个月牙形结构。

调整CCD摄像机30的焦距，校准籽晶50和导流筒60下沿投影位置，使籽晶50和导流筒60下沿投影中心均与显示器80中图形界面81的中心重合，也即是使籽晶50的投影中心与图形界面81中的几何图形的中心重合。

在本实施例中，显示器80的型号为常规的任一与工业用CCD摄像机30配合的控制显示器，图形界面81的大小为正方形结构即可，在此不做具体限制。调整完CCD摄像机30的中心焦距后，导流筒60下沿投影相对于图形界面81的中心轴线对称设置，且硅液面70的投影相对于图形界面81的纵向中心轴线对称设置，即校准后，图形界面81的对角线的交点贯穿籽晶50投影的中心。通过统一安装CCD摄像机30的固定位置并校准所有炉台中CCD摄像机30的中心焦距，统一实现采集信号位置的一致性，使籽晶50的投影与图形界面81的中心重合。

对焦：调整CCD摄像机30的焦距，统一显示器80中图形界面81的大小。

具体地，再次调节CCD摄像机30的焦距调节环，统一所有图形界面81中的几何图形的画面大小，保证几何图形中的最大外圆即导流筒60下沿投影大小，以确保导流筒60下沿投影的水平直径两端点分别距离图形界面81的纵向边界的长度相同。如图4所示，导流筒60下沿投影的水平直径AB的两个端点A和B分别距离贯穿图形界面81中心的纵向边界中横向直线CD的两个端点C和D的长度相同，即CA段与BD段的长度相同。在本实施例中，CA段与BD段的长度均为0-10mm，这样就可保证统一所有单晶炉的CCD摄像机30的焦距的调节环，使导流筒60下沿投影的水平直径两端点A和B分别距离图形界面81的纵向边界C和D的长度相同，为后续量化导流筒60下沿距离硅液面70的距离做标准，优选地，CA段和BD段的长度为5mm。

量化：从显示器80图形界面81中的几何图形中确定并量化稳温埚位位置。

以图形界面81的中心点为O，两个对角线均与硅液面70的投影和导流筒60下沿投影相交的交点分别为E、F和G、G，且相交点的连接直线EF和GH相同且对称设置，且连接点直线EF或GH的距离为一定值，同时在图形界面81上可做刻度标识，可直接读出连接点直线EF或GH的距离值，通过直接量化的数字即可知道稳温埚位距离是否在安全标准范围内。在本实施例中，连接点直线EF或GH的距离为12-14mm。这一距离即可量化表示稳温埚位距离在安全标准范围内，即可确定导流筒60下沿距离硅液面70中的实际距离是符合标准的，进而保证不同单晶炉、不同时间段中确定稳温埚位的一致性。

以单晶硅棒拉制的成晶率来表示单晶的断棱次数，则根据本实施例中的上述方法确定稳温埚位后拉制的单晶硅棒的成晶率与采用现有技术确定稳温埚位后拉制的单晶硅棒的成晶率做对比，获得的数据如表1所示。从表1中可以看出，无论是在扩肩还是整体拉制过程中，一段拉制和二段拉制的成晶率都大于现有技术的成晶率，且相对于现有技术，本方法获得的单晶成晶率可提升10％，进而可知用本方法拉制后的单晶硅棒的断棱次数均降低了近10％。而且无论是在一段或是二段拉制过程中，其整棒率都大于现有技术活得的整棒率，且相对于现有技术，本方法获得的整棒率都提升4-5％。进而可知，通过本方法进行快速确定稳温埚位，不仅可提高稳温埚位的一致性，而且可提高单晶硅棒的品质，获得的单晶硅棒的断棱次数降低了10％，提高了生产效率，降低生产成本。

表1本实施例与现有技术拉制的单晶硅棒的成晶率对比

本实用新型提供一种快速确定稳温埚位的方法，可量化稳温埚位，并可快速找到稳温埚位的位置，最大限度地降低不同炉台、不同时间寻找稳温埚位偏差量，保证稳温埚位位置的一致性；提高了稳温过程控制能力，保证单晶生长稳定，提高单晶品质，使断棱次数降低10％，降低了生产成本。

以上对本实用新型的实施例进行了详细说明，所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。凡依本实用新型申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本实用新型的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种快速确定稳温埚位单晶炉，其特征在于，包括炉盖和炉体，在所述炉盖外壁设有CCD摄像机，在所述炉体内部设有导流筒、石英坩埚和籽晶，在所述炉体外侧设有与所述CCD摄像机电连接的显示器，其中：

所述CCD摄像机置于所述导流筒斜上方一侧，在所述炉盖外壁设有用于固定所述CCD摄像机的固定装置，所述固定装置并行于所述炉盖外壁并使所述CCD摄像机垂直于所述炉盖外壁设置；

所述籽晶和所述导流筒投影同轴置于所述显示器图形界面内并形成几何图形，所述石英坩埚内硅液面投影置于所述籽晶和所述导流筒投影之间并远离所述籽晶投影一侧设置；

所述籽晶投影与所述显示器图形界面中心重合。

2.根据权利要求1所述的一种快速确定稳温埚位单晶炉，其特征在于，所述显示器图形界面为正方形结构，所述导流筒投影相对于所述显示器图形界面中心轴线对称设置。

3.根据权利要求2所述的一种快速确定稳温埚位单晶炉，其特征在于，所述硅液面投影相对于所述显示器图形界面纵向中心轴线对称设置。

4.根据权利要求3所述的一种快速确定稳温埚位单晶炉，其特征在于，所述导流筒投影水平直径两端点分别距离所述显示器图形界面纵向边界的长度相同。

5.根据权利要求4所述的一种快速确定稳温埚位单晶炉，其特征在于，所述导流筒投影水平直径两端点距离所述显示器图形界面纵向边界的长度均为0-10mm。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种快速确定稳温埚位单晶炉，其特征在于，所述显示器图形界面任一对角线分别与所述硅液面投影和所述导流筒投影的连接点直线距离为一定值。

7.根据权利要求6所述的一种快速确定稳温埚位单晶炉，其特征在于，所述显示器图形界面任一对角线分别与所述硅液面投影和所述导流筒投影的连接点的直线距离为12-14mm。

8.根据权利要求1-5、7任一项所述的一种快速确定稳温埚位单晶炉，其特征在于，所述固定装置包括底座、侧板和调节架，所述底座与所述炉盖连接，所述侧板连接所述底座和所述调节架设置，所述调节架置于所述底座上方；所述CCD摄像机贯穿所述调节架并置于所述调节架靠近所述侧板一侧设置。

9.根据权利要求8所述的一种快速确定稳温埚位单晶炉，其特征在于，所述底座与所述调节架并行设置，均垂直于所述CCD摄像机轴线设置。

10.根据权利要求9所述的一种快速确定稳温埚位单晶炉，其特征在于，所述侧板置于所述CCD摄像机靠近所述炉盖端口一侧设置。

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