DE69523883T2 - Supraleitender Magnet mit Helium-Rekondensierung - Google Patents
Supraleitender Magnet mit Helium-RekondensierungInfo
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf Helium-gekühlte supraleitende Magneteinrichtungen, die zur Magnetresonanz-Bildgebung (nachfolgend "MRI" genannt) geeignet sind und insbesondere auf eine verbesserte und vereinfachte Einrichtung zum Rekondensieren des entstehenden Heliumgases zurück in flüssiges Helium.
- Bekanntlich kann ein supraleitender Magnet supraleitend gemacht werden, indem er in einer extrem kalten Umgebung angeordnet wird, beispielsweise indem er in einem Kryostaten oder Druckbehälter eingeschlossen wird, der flüssiges Helium oder ein anderes Kryogen enthält. Die extreme Kälte stellt sicher, dass die Magnetspulen in einem supraleitenden Betrieb gehalten werden, so dass, wenn eine Energiequelle zunächst mit der Spule verbunden wird (für eine Periode von beispielsweise 10 Minuten), um einen Stromfluss durch die Spulen einzuleiten, der Strom weiterhin durch die Spulen fließt, selbst wenn anschließend die Stromzufuhr entfernt wird, aufgrund des Fehlens eines elektrischen Widerstandes in den Spulen, wodurch ein starkes Magnetfeld aufrecht erhalten wird. Supraleitende Magneteinrichtungen finden eine breite Anwendung auf dem Gebiet von MRI.
- Eine derartige Einrichtung ist in EP-A-0414443 gezeigt.
- Es sind erhebliche Forschungs- und Entwicklungsbemühungen darauf gerichtet worden, das Erfordernis zu minimieren, das siedende Kryogen, wie beispielsweise flüssiges Helium, nachzufüllen. Zwar wird die Verwendung von flüssigem Helium zur Herstellung kryogener Temperaturen in weitem Umfang ausgeführt und ist zufriedenstellend für einen MRI Betrieb. Jedoch hat sich die Bereitstellung einer ständigen Zufuhr von flüssigem Helium zu MRI Einrichtungen über der ganzen Welt als schwierig und kostspielig erwiesen.
- Als eine Folge ist es höchst wünschenswert, die erforderliche Menge an flüssigem Helium zu minimieren und das Erfordernis zu minimieren oder zu eliminieren, die flüssige Heliumversorgung kontinuierlich nachzufüllen, wenn das flüssige Helium bei der Bereitstellung der supraleitenden Temperatur für die supraleitende Magneteinrichtung siedet. Es ist übliche Praxis, das Heliumgas aus dem siedenden Helium zu entlüften und die Heliumversorgung periodisch nachzufüllen.
- Ein anderes Problem, das bei der Verwendung von flüssigem Helium zur Herstellung kryogener Temperaturen für supraleitende Magneteinrichtungen auftritt, tritt bei der Speicherung der erforderlichen Reserveversorgung von flüssigem Helium bei kryogenen Temperaturen von 4ºK (oder nahe am absoluten Nullpunkt) und den damit in Beziehung stehenden Problemen der periodischen Übertragung eines Teils des flüssigen Heliums in dem Speicherreservoir zu der Flüssigheliumversorgung in dem supraleitenden Magnet auf.
- Es sind verschiedene Versuche gemacht worden, das Helium-Abgas zu recyceln, das aus dem siedenden Helium entsteht. Sie sind nicht vollständig zufriedenstellend gewesen. Eine Schwierigkeit, die in den Bemühungen auftrat, Heliumgas zu rekondensieren, ist die des Zuganges zu und die Wartung der rekondensierenden Einrichtung gewesen. Es ist äußerst wichtig, dass die MRI während jeder Wartung des rekondensierenden Gerätes oder der Einrichtung im Betriebszustand gehalten wird, da jede Unterbrechung des supraleitenden Betriebs ein Absieden der Heliumversorgung in der supraleitenden Magneteinrichtung zur Folge hat und für eine beträchtliche Ausschaltzeit während der Wartung der rekondensierenden Einrichtung und des anschließenden Hochfahrens und der Fehlerkorrektur des supraleitenden Magneten zu einem homogenen supraleitenden Betrieb. Derartige Prozeduren sind notwendigerweise kostspielig in Zeit und Material, was nicht zuletzt die Kosten sind, die mit der Unmöglichkeit verbunden sind, die teure MRI Einrichtung während der Ausschaltzeitperiode zu benutzen.
- Das Fehlen einer thermischen Isolation zwischen dem Kryokühler und dem kalten Heliumgas in dem Heliumbehälter hat eine verlängerte Wartungszeit, höheren Kryogenverbrauch während der Wartung und Kontamination der rekondensierenden Kontaktflächen und/oder des Kryokühlersystems zur Folge gehabt. Es ist demzufolge wichtig, Kontamination verhindern zu können und eine rekondensierende Einrichtung zu schaffen, die herausgenommen und gewartet werden kann, während ein supraleitender Betrieb der supraleitenden Magneteinrichtung beibehalten wird.
- Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte supraleitende Magneteinrichtung mit Heliumrekondensierung zu schaffen.
- Es ist auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte, rekondensierende, Helium-gekühlte supraleitende Magneteinrichtung zu schaffen, die einen Kryokühler verwendet, der herausgenommen und gewartet werden kann, ohne den Betrieb des einen supraleitenden Magneten enthaltenden MRI Systems zu unterbrechen.
- Die vorliegende Erfindung versucht ferner eine verbesserte rekondensierende, Helium-gekühlte, supraleitende Magneteinrichtung zu schaffen, die einen Kryokühler verwendet, der thermisch isoliert und außenseitig von dem Heliumbehälter ist und der die Menge an verbrauchtem flüssigem Helium und die Schwingungen minimiert, die von dem Kryokühler übertragen werden. Aufgrund der thermischen Isolation ist es noch eine weitere Aufgabe, eine reine Kontaktfläche zwischen dem Kryokühler und der Magnethülse nach der Wartung zu schaffen, um ein gutes thermisches Leistungsvermögen sicher zu stellen.
- Gemäß der Erfindung wird eine Helium-gekühlte, supraleitende Magneteinrichtung geschaffen, die für Magnetresonanz-Bildgebung geeignet ist, mit einer Heliumgas rekondensierenden Vorrichtung, enthaltend einen Heliumbehälter, um ein Reservoir für flüssiges Helium einzuschließen, um für kryogene Temperaturen an der Magnetresonanz-Bildgebung-Magneteinrichtung für einen supraleitenden Betrieb zu sorgen; einen Vakuumbehälter, der den Heliumbehälter umgibt und im Abstand von dem Heliumbehälter angeordnet ist; eine Kryokühler-Hülse, die eine gekapselte Kammer bildet, die sich von der Außenseite des Vakuumbehälters in einen Innenbereich zwischen dem Heliumbehälter und dem Vakuumbehälter erstreckt; und einen Kryokühler in der Kryokühler-Hülse; wobei die Kryokühler-Hülse einen Abschnitt aufweist, der zur Außenseite des Vakuumbehälters geöffnet werden kann zum Einsetzen und Herausnehmen des Kryokühlers in die Kryokühler-Hüse; dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung enthält: eine Rekondensierkammer in dem Bereich zwischen dem Heliumbehälter und dem Vakuumbehälter, der thermisch mit der Kryokühler-Hülse verbunden ist und ausreichend kalt ist, um das Heliumgas zu Flüssigkeit zu rekondensieren; einen ersten Durchlass zwischen dem Heliumbehälter und der Rekondensierkammer, um Heliumgas zu leiten, das aus dem Sieden des flüssigen Heliums resultiert; und einen zweiten Durchlass zwischen dem Heliumbehälter und der Rekondensierkammer, um rekondensiertes, flüssiges Helium zum Heliumbehälter zurück zu leiten.
- In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung erstreckt sich ein zweistufiger Kryokühler in den Raum zwischen dem Heliumbehälter und dem umgebenden Vakuumbehälter, wobei sein kaltes Ende oder die zweite Stufe thermisch mit einer Rekondensierkammer verbunden ist. Ein erster Durchlass ist zwischen dem Heliumbehälter und der Rekondensierkammer vorgesehen, um Heliumgas zu leiten, das aus dem Sieden des flüssigen Heliums während des supraleitenden Magnetbetriebs resultiert, und ein zweiter Durchlass ist zwischen der Unterseite von der Rekondensierkammer und dem Heliumbehälter verbunden, um rekondensiertes flüssiges Helium zum Heliumbehälter zurück zu leiten. Die Rekondensierkammer ist genügend kalt, um das Heliumgas zu flüssigem Helium zu rekondensieren.
- Genauer gesagt, ist die erste Stufe von dem Kryokühler thermisch mit einer Strahlungsabschirmung verbunden, die zwischen dem Heliumbehälter und dem Vakuumbehälter mit einer flexiblen Kopplung angeordnet ist, die sich zwischen der ersten Stufe des Kryokühlers und der Strahlungsabschirmung erstreckt. Die Rekondensierkammer enthält mehrere Rekondensierflächen, die thermisch mit der zweiten Stufe von dem Kryokühler verbunden sind, um auftreffendes Heliumgas zurück zu flüssigem Helium zu rekondensieren. Der erste Durchlass ist zwischen dem oberen Abschnitt von dem Heliumbehälter und der Rekondensierkammer verbunden, während die zweite Stufe zwischen dem unteren Abschnitt von der Rekondensierkammer und einem unteren Pegel des Heliumbehälters verbunden ist, so dass das rekondensierte flüssige Helium durch Schwerkraft zurück zum Heliumbehälter strömt. Der Kryokühler erstreckt sich innerhalb einer Hülse in der Magneteinrichtung, um seine Herausnahme zur Wartung zu ermöglichen, während die Magneteinrichtung im supraleitenden Betrieb bleibt.
- Die Erfindung wird nun mit weiteren Einzelheiten anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, deren einzige Figur ein Querschnitt von einem supraleitenden MRI Magneten gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
- Gemäß der Zeichnung enthält das MRI Magnetsystem 10 einen Heliumbehälter 4, der von einem Vakuumbehälter 2 umgeben ist, wobei dazwischen eine thermisch isolierende Strahlungsabschirmung 6 zwischen dem Heliumbehälter und dem Vakuumbehälter angeordnet ist. Ein Kryokühler 12 (der ein Gifford-Mahon Kryokühler sein kann) erstreckt sich durch den Vakuumbehälter 2 innerhalb einer Hülse 13, so dass der Kryokühler selektiv in der Hülse angeordnet werden kann, ohne das Vakuum in dem Vakuumbehälter 2 zu zerstören. Ein äußerer Kryokühler-Hülsenring 14 verläuft auf der Außenseite von dem Vakuumbehälter 2 und einer Buchse 19, und ein Hülsenflansch 15 ermöglicht das Befestigen der Kryokühler-Hülse 13 an dem Vakuumbehälter 2. Der Kryokühler 12 ist in der Kryokühler-Hülse mit einem passenden Übergangsflansch 21 installiert und mit Bolzen und Scheiben befestigt.
- Die erste Stufe der Wärmestation 16 des Kryokühlers 12 ist mit der ersten Stufe der thermischen Kupferhülse oder Wärmesenke 18 in Kontakt, die thermisch über flexible thermische Kopplungen 22 und 24 aus Kupferlitze mit der isolierenden Strahlungsabschirmung 6 durch Verbindung mit thermischen Kupferblöcken 26 auf der Strahlungsabschirmung 6 verbunden sind, um die Strahlungsabschirmung auf eine Temperatur von etwa 60ºK zu kühlen und für eine thermische Isolation zwischen dem Heliumbehälter 4 und dem Vakuumbehälter 2 zu sorgen. Die flexiblen Kopplungen 22 und 24 sorgen für eine mechanische oder Schwingungstrennung zwischen dem Kryokühler 12 und Strahlungsabschirmungen.
- Eine zweite Stufe der Wärmesenke 11 aus Kupfer an der Unterseite der Kryokühler-Hülse 13 und die Bodenfläche von der zweiten Stufe der Wärmestation 30 des Kryokühlers 12 bilden Kontakte innerhalb einer Indiumdichtung 29, um auf effiziente Weise für eine Temperatur von 4K an der Wärmesenke 11 zu sorgen.
- Unterhalb von und thermisch verbunden mit der Wärmesenke 11 verläuft eine Helium-Rekondensierkammer 38, die mehrere im Wesentlichen parallele Wärmeübertragungsplatten oder -oberflächen 42 aufweist, die in thermischem Kontakt mit der Wärmesenke 11 sind und Durchlässe zwischen den Oberflächen der Platten für den Durchtritt von Heliumgas aus dem Heliumbehälter 4 bilden.
- Heliumgas 40, das sich oberhalb des Oberflächenpegels 44 von flüssigem Helium der Versorgung 46 für flüssiges Helium durch das Sieden des flüssigen Heliums bei der Ausbildung kryogener Temperaturen für das MRI Magnetsystem 10 bildet, strömt durch den Gasdurchlass 52 durch die Wände des Heliumbehälters 4 hindurch und wird durch einen Heliumgaskanal 50 in das Innere des oberen Abschnittes 41 der Helium-Rekondensierkammer 38 geleitet. Wenn die Wärmeübertragungsplatten 42 durch die zweite Stufe 30 des Kryokühlers 12 auf 4K gekühlt sind, rekondensiert Heliumgas 40 zu flüssigem Helium und sammelt sich in dem unteren Teil 48 der Helium-Rekondensierkammer 38. Das rekondensierte flüssige Helium strömt durch die Heliumrückleitung 54 aufgrund von Schwerkraft durch den Durchlass 58 für flüssiges Helium und den Heliumbehälter 4 zurück zur Versorgung 46 von flüssigem Helium, wobei darauf hingewiesen sei, dass die Helium-Rekondensierkammer 38 höher als der Durchlass 58 für flüssiges Helium in dem Heliumbehälter 4 ist.
- Als eine Folge kühlt während des Betriebs des MRI Magnetsystems 10 flüssiges Helium 46 die supraleitende Magnetspuleneinrichtung, die allgemein als 60 gezeigt ist, wobei die Kühlung allgemein als Pfeil 62 in der Art und Weise angegeben ist, die in der MRI Technik gut bekannt ist, was ein Sieden der Heliumflüssigkeit 46 und Erzeugung von Heliumgas 40 zur Folge hat. Jedoch strömt das Heliumgas 40, anstatt in die Atmosphäre abgelassen zu werden, wie es in vielen MRI Einrichtungen üblich ist, durch den Gasdurchlass 52 in den oberen Abschnitt von und den Heliumbehälter 4 und durch den Heliumgasdurchlass 50 in das Innere von der Helium-Rekondensierkammer 38, wo es zwischen den Wärmeübertragungsplatten 42 der Helium-Rekondensierkammer hindurch strömt. Die Platten 42 werden durch die zweite Stufe 30 des Kryokühlers 12 auf einer Temperatur von 4K gehalten, so dass ne Unterbrechung des MRI Betriebs hat eine signifikante Abschaltzeit der Einrichtung mit der Unmöglichkeit zur Folge, die Einrichtung während der Ausschaltzeitperiode zu benutzen, gefolgt von einer Notwendigkeit, die Versorgung 46 für flüssiges Helium nachzufüllen, gefolgt von einem Hochfahren des Magnetsystems 10 in den supraleitenden Betrieb und die Fehlerkorrektur des Magnetsystems 10 für die erforderliche Feldhomogenität, was alles eine beträchtliche Zeit und signifikante Kosten erfordert, die durch die Verwendung der vorliegenden Erfindung vermieden werden können. Die vorliegende Erfindung erleichtert und ermöglicht somit auf einfache Weise Perioden der Herausnahme des Kryokühlers 12 für periodische und notwendige Wartungsarbeiten.
- Nach dem Herausnehmen des Kryokühlers 12 können die Wärmesenken 11 und 18 der Kryokühler-Hülse 13 zusammen mit der Rekondensierkammer 38 auf Raumtemperatur erwärmt werden, wenn es zum Reinigen der Kontaktflächen der ersten und zweiten Stufen der Wärmesenken 11 bzw. 18 erforderlich ist, bevor der Kryokühler wieder in die Kryokühler-Hülse 13 eingebaut wird. Der Hülsenflansch 15 befestigt den Kryokühler 12 in seiner Lage und bildet einen guten thermischen Oberflächenkontakt zwischen dem Kryokühler und den Wärmesenken 11 und 18 der Kryokühler-Hülse 13 nach jeder Reinstallation des Kryokühlers in die Kryokühler- Hülse nach einer Wartung des Kryokühlers. Ein nachfolgender Betrieb des Kryokühlers 12 kühlt die Wärmeübertragungsplatten 42 auf etwa 4K, um wieder eine Rekondensation von Heliumgas 40 einschließlich Heliumgas zu beginnen, das sich während der Wartungsperiode des Kryokühlers 12 gesammelt hat.
- Die thermische Isolation, die durch die dünnwandige Rohrleitung aus rostfreiem Stahl von dem Heliumgasdurchlass 50 und die Rückleitung 54 für flüssiges Helium in dem Vakuumraum zwischen der Rekondensierkammer 38 und dem Heliumbehälter 4 ausgebildet ist, verringert das Ausmaß des Absiedens von Helium und der Bildung von Heliumgas 40 während der Wartung des Kryokühlers und hält das Absieden von Helium auf einer minimalen Menge. Die gewellte oder sinusförmige Konfiguration von dem Heliumgasdurchlass 50 und der Heliumrückleitung 54 ist so gestaltet, dass sie auch für Flexibilität und Schwingungsisolation sorgt, um Schwingungen zu minimieren, die von dem Kryokühler 12 auf den Heliumbehälter übertragen werden. Die Rekondensierkammer 38 arbeitet auch als ein thermischer Schalter, wenn sie während der Wartung des Kryokühlers 12 warm ist, indem kaltes Heliumgas 40 blockiert wird, in die Kammer 38 zu strömen. Der Kryokühler 12 kann somit aus der Kryokühler-Hülse 13 als ein komplettes System herausgenommen werden, ohne irgendeine interne Komponente des Magnetsystems 10 gegenüber der Atmosphäre 37 freizulegen, wodurch die Gefahr einer Kontaminierung des Kryokühlersystems während einer Wartung gesenkt wird.
Claims (15)
1. Helium-gekühlte, supraleitende Magneteinrichtung (10),
die für Magnetresonanz-Bildgebung geeignet ist, mit einer
Heliumgas rekondensierenden Vorrichtung, enthaltend:
einen Heliumbehälter (4), um ein Reservoir für flüssiges
Helium einzuschliessen, um für kryogene Temperaturen an der
Magnetresonanz-Bildgebungs-Magneteinrichtung zu sorgen,
einen Vakuumbehälter (2), der den Heliumbehälter (4)
umgibt und im Abstand von dem Heliumbehälter (4) angeordnet ist,
eine Kryokühler-Hülse (13), die eine gekapselte Kammer
bildet, die sich von der Aussenseite des Vakuumbehzälters (2)
in einen Innenbereich zwischen dem Heliumbehälter (4) und dem
Vakuumbehälter (2) erstreckt, und
einen Kryokühler (12) in der Kryokühler-Hülse (13),
wobei die Kryokühler-Hülse (13) einen Abschnitt aufweist,
der zur Aussenseite des Vakuumbehälters (2) geöffnet werden
kann zum Einsetzen und Herausnehmen des Kryokühlers (12) in die
Kryokühler-Hülse (13),
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung enthält:
eine Rekondensierkammer (38) in dem Bereich zwischen dem
Heliumbehälter (4) und dem Vakuumbehälter (2), der thermisch
mit der Kryokühler-Hülse (13) verbunden ist und ausreichend
kalt ist, um das Heliumgas zu Flüssigkeit zu rekondensieren,
einen ersten Durchlass (50) zwischen dem Heliumbehälter
und der Rekondensierkammer (38), um Heliumgas zu leiten, das
aus dem Sieden des flüssigen Heliums resultiert, und
einen zweiten Durchlass (54) zwischen dem Heliumbehälter
(4) und der Rekondensierkammer (38), um rekondensiertes,
flüssiges Helium zum Heliumbehälter zurück zu leiten.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, enthaltend eine Wärmesenke
(11) an der Unterseite der Kryokühler-Hülse (13) und thermisch
verbunden mit der Rekondensierkammer (38) und so angeordnet,
daß sie das kalte Ende des Kryokühlers (12) direkt kontaktiert,
wenn der Kryokühler (12) in der Hülse angeordnet ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, enthaltend eine
Strahlungsabschirmung (6) in dem Bereich zwischen dem
Heliumbehälter (4) und dem Vakuumbehälter (2), und wobei der Kryokühler
(12) ein zweistufiger Kryokühler ist, dessen erste Stufe
thermisch mit der Strahlungsabschirmung (6) verbunden ist und
dessen zweite Stufe thermisch mit der Helium rekondensierenden
Kammer (38) verbunden ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, wobei sich wenigstens eine
flexible thermische Kopplung (22) zwischen der ersten Stufe des
Kryokühlers zu der Strahlungsabschirmung erstreckt.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, wobei die wenigstens eine
flexible thermische Kopplung (22) ein Kupferlitzenkabel ist.
6. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei die Rekondensierkammer (38) mehrere Rekondensierflächen
(42) aufweist, die mit dem Kryokühler (12) verbunden sind, wenn
der Kryokühler (12) in der Kryokühler-Hülse (13) angeordnet
ist.
7. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei der erste Durchlass einen Heliumkanal (50) bildet, der das
Innere von dem Heliumbehälter (4) mit dem Inneren von der
Rekondensierkammer (38) verbindet, um Heliumgas, das aus dem
Sieden des Heliums aus dem Heliumbehälter (4) resultiert, zur
Rekondensierkammer (38) zu leiten, wobei der Rückfluss ein
Schwerkraftfluss ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 7, wobei der zweite Durchlass
(52) einen Rückleitkanal für flüssiges Helium bildet, der den
unteren Bereich von der Rekondensierkammer (38) mit dem
Heliumbehälter (4) verbindet, um rekondensiertes flüssiges Helium zum
Heliumbehälter zurück zu leiten.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, wobei der Heliumgaskanal
(50) und der Heliumrückleitkanal (52) gefaltet sind, um für
eine Schwingungstrennung zwischen der Rekondensierkammer (38) und
dem Heliumbehälter (4) zu sorgen.
10. Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei während des
Betriebs das flüssige Helium den Heliumbehälter teilweise
füllt, und der Heliumgaskanal mit dem Bereich des
Heliumbehälters oberhalb des Oberflächenpegels des flüssigen Heliums
verbunden ist.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, wobei der Rückleitkanal
(52) für flüssiges Helium durch den Heliumbehälter (4)
unterhalb der Rekondensierkammer (38) verbunden ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 3 oder einem der Ansprüche 4
bis 11, wenn er direkt oder indirekt daran angehängt ist, wobei
eine thermische Isolation (34, 35) zwischen der
Strahlungsabschirmung (6) und dem Vakuumbehälter (2) und zwischen der
Rekondensierkammer (38) und dem Heliumbehälter (4) vorgesehen
ist.
13. Einrichtung nach Anspruch 12, wobei die thermische
Isolation aluminisierte Mylar-Vielschicht-Superisolation ist.
14. Einrichtung nach Anspruch 4 oder einem der Ansprüche 5
bis 13, wenn er direkt oder indirekt daran angehängt ist, wobei
thermische Wärmesenken (18, 26) auf der ersten Stufe der
Kryokühler-Hülse (13) und auf der Strahlungsabschirmung (6) vorgesehen
sind, und die wenigstens eine flexible, thermische
Kopplung (22) sich zwischen den Wärmesenken erstreckt.
15. Einrichtung nach Anspruch 14, wobei die Wärmesenke auf
der ersten Stufe des Kryokühlers ein Kupferband um die erste
Stufe herum ist.
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