JP3058681B2 - 多チャンネルsquid磁束計 - Google Patents
多チャンネルsquid磁束計Info
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
- G01R33/035—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using superconductive devices
- G01R33/0354—SQUIDS
- G01R33/0356—SQUIDS with flux feedback
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- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
- Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、生体磁場などの微小磁場の測定を多点で行
う多チャンネルSQUID磁束計に関する。
う多チャンネルSQUID磁束計に関する。
SQUID磁束計は少なくとも1つのジョセフソン接合を
持つSQUID(Superconducting QUantum Interference De
vice)とインプットコイル、フィードバックコイル、磁
場を検出するピックアップコイル及び、電子回路系など
により構成される。SQUID磁束計は、磁束を電圧に変換
する働きを持ち、通常磁束計の動作点を固定するために
FLL(Flux−Locked Loop)とよばれる帰還回路の構成を
なし、微弱磁場の計測に用いられている。直流型SQUID
における磁束計の感度は、SQUIDに与える電流バイアス
を磁束検出感度が最大になるように設定する。従来の多
チャンネルSQUID磁束計は、1チャンネルSQUID磁束計を
多数配列して構成されている。その例はジャパニーズ・
ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス(Japane
se Journal of Applied Physics)Vol.28,No.3,1989,pp
L456−L458に記載される。
持つSQUID(Superconducting QUantum Interference De
vice)とインプットコイル、フィードバックコイル、磁
場を検出するピックアップコイル及び、電子回路系など
により構成される。SQUID磁束計は、磁束を電圧に変換
する働きを持ち、通常磁束計の動作点を固定するために
FLL(Flux−Locked Loop)とよばれる帰還回路の構成を
なし、微弱磁場の計測に用いられている。直流型SQUID
における磁束計の感度は、SQUIDに与える電流バイアス
を磁束検出感度が最大になるように設定する。従来の多
チャンネルSQUID磁束計は、1チャンネルSQUID磁束計を
多数配列して構成されている。その例はジャパニーズ・
ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス(Japane
se Journal of Applied Physics)Vol.28,No.3,1989,pp
L456−L458に記載される。
1チャンネルSQUID磁束計を多数配列して多チャンネ
ルSQUID磁束計を構成した場合、個々のSQUIDの磁束検出
感度を最良の状態にするためにはチャネル数と同数のバ
イアスを供給する電流源が必要となる。しかしながら、
この場合には信号線数が増加するため電子回路系の構成
が複雑となり、さらに冷却媒体への入力信号線数も多く
なり冷却媒体の蒸発を早めるという問題があった。 また、多チャンネルSQUID磁束計を同一電流バイアス
で駆動する場合、SQUID素子の特性のバラツキに関して
考慮がなされていないため、正常に動作する素子から磁
場検出に必要な検出感度を得ることのできないという問
題があった。
ルSQUID磁束計を構成した場合、個々のSQUIDの磁束検出
感度を最良の状態にするためにはチャネル数と同数のバ
イアスを供給する電流源が必要となる。しかしながら、
この場合には信号線数が増加するため電子回路系の構成
が複雑となり、さらに冷却媒体への入力信号線数も多く
なり冷却媒体の蒸発を早めるという問題があった。 また、多チャンネルSQUID磁束計を同一電流バイアス
で駆動する場合、SQUID素子の特性のバラツキに関して
考慮がなされていないため、正常に動作する素子から磁
場検出に必要な検出感度を得ることのできないという問
題があった。
このような問題点を解決するため、本発明では、SQUI
Dを駆動する電流バイアスおよびSQUID素子に対して直列
に抵抗を冷却媒体内で接続し、それらのSQUID素子を並
列接続して、さらに各SQUIDの電流バイアスの平均値に
より、多数のSQUID磁束計を同一電流バイアスで駆動す
る。
Dを駆動する電流バイアスおよびSQUID素子に対して直列
に抵抗を冷却媒体内で接続し、それらのSQUID素子を並
列接続して、さらに各SQUIDの電流バイアスの平均値に
より、多数のSQUID磁束計を同一電流バイアスで駆動す
る。
冷却媒体内で電流バイアスとSQUID素子に抵抗を直列
接続し、各SQUIDの電流バイアスの平均値を用いて多数
のSQUID磁束計を同一電流バイアスで駆動することによ
り、多チャンネル化に伴う信号線の増加を防ぎ、さらに
多数のSQUID素子間のバラツキを低減し、高感度で駆動
することができる。
接続し、各SQUIDの電流バイアスの平均値を用いて多数
のSQUID磁束計を同一電流バイアスで駆動することによ
り、多チャンネル化に伴う信号線の増加を防ぎ、さらに
多数のSQUID素子間のバラツキを低減し、高感度で駆動
することができる。
以下、本発明の実施例を図面により説明する。 第2図は、電流バイアスに対する磁束検出感度の変化
を模擬的に表したものである。SQUID素子により最適感
度及び最適感度をとる電流バイアス値が異なっているた
め、各チャネルの利得を等しくするためには、磁束検出
感度が等しくなるようにSQUID素子ごとに電流バイアス
を設定しなければならない。しかしながら、SQUID磁束
計は通常FLLと呼ばれる帰還ループ構成で動作させるた
め、多少の感度バラツキによる系の利得の変動誤差はあ
まり問題とはならない。このため、各SQUIDの最適感度
をとる電流バイアス値I1〜Inの平均値をもって、同一の
電流バイアス値に設定することが可能となる。このとき
の同一の電流バイアス値をIvとすると、 Iv=(I1+・・・+Ii+・・・+In)/n で表せる。ここでnはチャネル数である。 第1図に本発明の第1の実施例を示す。 まず、SQUID磁束計の動作について説明する。SQUID素
子1は、インプットコイル2からの外部磁束とフィード
バックコイル3からの変調磁束及び帰還磁束の磁束の差
を電圧に変換する。この電圧はプリアンプ4で増幅され
たのち、電子回路7により変調信号との同期検波などの
処理が行われて出力される。また、出力電圧は電圧電流
変換器6で電流に変換された後、変調信号とともにフィ
ードバックコイルへ入力される。 本発明の特徴は複数のSQUID素子の電流バイアスを同
一の電流源で設定できることである。各SQUID素子1の
持つ抵抗値は素子製作上バラツキがあるため、SQUID素
子の持つ抵抗値に比べて大きなほぼ等しい抵抗値Rをも
つ複数の抵抗8をSQUID素子1にそれぞれ直列に接続し
たのち、各チャネルを並列に接続し、各チャネルに共通
な電流バイアス用の電流源9に接続する。この結果、各
SQUID素子の電流バイアス値がほぼ等しくなるように設
定することができる。また、この際、各SQUID素子に直
列に接続する抵抗8を冷却媒体内に設置することによ
り、冷却媒体内から取り出す電流バイアス線を1本とす
ることができるため、冷却媒体の蒸発量を低減すること
ができる。第1図において、冷却媒体内に設置される部
分破線内にて示した。 電流バイアスの設定は第3図に示すようなフローチャ
ートに従って行う。まず、電流バイアス9をある値に設
定する。この時のプリアンプの出力は、SQUID磁束計の
感度を示す値である。マルチプレクサ10によりチャネル
切替えを行い、各チャネルの出力電圧をA/D変換器11に
よりマイクロコンピュータ12に取り込む。マイクロコン
ピュータでは、各チャネルの出力電圧値及び電流バイア
ス値を保持する。電流バイアスを変化させながらSQUID
感度を順次測定することにより、第2図と同様な感度曲
線を得ることができる。次に、各チャネルの最適感度を
示す電流値を出力電圧及び電流バイアスのデータからマ
イクロコンピュータにより計算し、電流バイアスの平均
値を求めて、D/A変換器13を介して電流源9の出力電流
を設定する。本方法により、同一電流バイアスで多数の
SQUIDを駆動することが可能となる。 しかしながら、正常に動作しないSQUID素子が存在す
る場合、その素子からは出力電圧が得られないため、電
流バイアス設定時に誤差が生じる。 この問題を解決するための実施例を第4図のフローチ
ャートにより説明する。チャネルの感度レベルがあるし
きい値に達しているか否かをマイクロコンピュータによ
り判断する。しきい値に達しないSQUID素子は使用しな
いと判定し、電流バイアス設定時の対象から外す。この
結果、電流バイアスをより正確に設定することが可能と
なる。 本発明の第1及び第2の実施例では、各チャネルごと
に磁束検出感度が高くなる電流バイアスを求めた後に多
チャンネルの電流バイアス値を設定する。このためには
マイクロコンピュータを介すことが必要となり、電流の
設定が複雑で時間がかかるという問題がある。 この問題を解決し、電流バイアス設定を短時間に行う
ための実施例を第5図に示す。先に述べたようにSQUID
磁束計はFLL状態で動作させるため、多少の感度バラツ
キによる系の利得の変動誤差はあまり問題とはならな
い。そこで、素子特性に大きなバラツキがない場合に
は、各チャネルの電流バイアスの平均値を求めることは
各チャネルの磁束検出感度の和が最大になるように電流
バイアス値を設定することと等価になる。 磁束検出感度をあらわすプリアンプ4の出力電圧を加
算器14で加算する。加算後の信号が最大となるように電
流バイアス調整器15は調整出力を発して電流源9の出力
電流を調整する。このような電流バイアスの調整は、イ
ンプットコイルに擬似信号を入力したときのプリアンプ
の出力レベルが最大になるように最適電流バイアス値を
設定する方法や、電流バイアスを変化させたときの変調
信号の倍周波数成分をとらえる方法などにより容易に行
うことができる。本実施例により、電流バイアス設定に
要する時間を大幅に短縮することができ、さらに故障し
たSQUID素子が存在した場合にも正確に電流バイアスの
設定を行うことができる。 上記の実施例はSQUID素子のバラツキ度合いがほぼ等
しく、小さいとの仮定のもとで考えられている。しかし
ながら、作成されたチップごとにSQUID素子の特性が異
なる可能性がある。このため、上記の電流バイアスの設
定方法を同一チップ上のSQUID素子に関して適用し、チ
ップごとに電流バイアスを設定することが有効であると
考えられる。本方法に関する実施例を第6図に示す。複
数の超伝導回路チップ16には、それぞれ特性の等しい2
つ以上のSQUID素子が配列され、各チップごとに第1の
実施例で述べたような回路構成を持っている。つまり同
一チップ上のSQUID素子に対して共通の電流源9を有
し、それぞれ抵抗を介して電流バイアスが与えられる。
図のようにm枚のチップがある場合にはm個の電流バイ
アスで駆動する。この結果、全てのSQUIDを同一電流バ
イアスを用いて駆動する場合に比べて、素子感のバラツ
キの影響を低減できるため、磁束検出感度を向上し高精
度で磁場の検出を行うことが可能となる。なお、このと
きの電流バイアス値の設定は本発明の第1、第2あるい
は第3の実施例を用いることで実現可能である。 上記の実施例では、同一電流バイアスを用いた場合に
SQUIDの感度がほぼ等しくなると仮定している。しかし
ながら、各チャネルの感度を正確に知ることは磁場強度
を測定する上で重要であり、各チャネルの磁束検出感度
を記録することが有効である。このための実施例を示す
フローチャートを第7図により説明する。本発明の第1
の実施例において述べたように、電流バイアス設定時の
プリアンプの出力は磁束検出感度を表す。そこで、第3
図のフローチャートで示す同一電流バイアスの設定後、
プリアンプの出力を各チャネルごとにA/D変換器を介し
てマイクロコンピューターに取り込む。このように各チ
ャネルの磁束検出感度のデータを記録しておくことによ
り、各チャネルの感度バラツキを防ぐことができる。ま
た、この方法は、本発明の第2及び第3の実施例におい
てもプリアンプ出力をA/D変換器を介してマイクロコン
ピュータに取り込むことにより、実現可能である。
を模擬的に表したものである。SQUID素子により最適感
度及び最適感度をとる電流バイアス値が異なっているた
め、各チャネルの利得を等しくするためには、磁束検出
感度が等しくなるようにSQUID素子ごとに電流バイアス
を設定しなければならない。しかしながら、SQUID磁束
計は通常FLLと呼ばれる帰還ループ構成で動作させるた
め、多少の感度バラツキによる系の利得の変動誤差はあ
まり問題とはならない。このため、各SQUIDの最適感度
をとる電流バイアス値I1〜Inの平均値をもって、同一の
電流バイアス値に設定することが可能となる。このとき
の同一の電流バイアス値をIvとすると、 Iv=(I1+・・・+Ii+・・・+In)/n で表せる。ここでnはチャネル数である。 第1図に本発明の第1の実施例を示す。 まず、SQUID磁束計の動作について説明する。SQUID素
子1は、インプットコイル2からの外部磁束とフィード
バックコイル3からの変調磁束及び帰還磁束の磁束の差
を電圧に変換する。この電圧はプリアンプ4で増幅され
たのち、電子回路7により変調信号との同期検波などの
処理が行われて出力される。また、出力電圧は電圧電流
変換器6で電流に変換された後、変調信号とともにフィ
ードバックコイルへ入力される。 本発明の特徴は複数のSQUID素子の電流バイアスを同
一の電流源で設定できることである。各SQUID素子1の
持つ抵抗値は素子製作上バラツキがあるため、SQUID素
子の持つ抵抗値に比べて大きなほぼ等しい抵抗値Rをも
つ複数の抵抗8をSQUID素子1にそれぞれ直列に接続し
たのち、各チャネルを並列に接続し、各チャネルに共通
な電流バイアス用の電流源9に接続する。この結果、各
SQUID素子の電流バイアス値がほぼ等しくなるように設
定することができる。また、この際、各SQUID素子に直
列に接続する抵抗8を冷却媒体内に設置することによ
り、冷却媒体内から取り出す電流バイアス線を1本とす
ることができるため、冷却媒体の蒸発量を低減すること
ができる。第1図において、冷却媒体内に設置される部
分破線内にて示した。 電流バイアスの設定は第3図に示すようなフローチャ
ートに従って行う。まず、電流バイアス9をある値に設
定する。この時のプリアンプの出力は、SQUID磁束計の
感度を示す値である。マルチプレクサ10によりチャネル
切替えを行い、各チャネルの出力電圧をA/D変換器11に
よりマイクロコンピュータ12に取り込む。マイクロコン
ピュータでは、各チャネルの出力電圧値及び電流バイア
ス値を保持する。電流バイアスを変化させながらSQUID
感度を順次測定することにより、第2図と同様な感度曲
線を得ることができる。次に、各チャネルの最適感度を
示す電流値を出力電圧及び電流バイアスのデータからマ
イクロコンピュータにより計算し、電流バイアスの平均
値を求めて、D/A変換器13を介して電流源9の出力電流
を設定する。本方法により、同一電流バイアスで多数の
SQUIDを駆動することが可能となる。 しかしながら、正常に動作しないSQUID素子が存在す
る場合、その素子からは出力電圧が得られないため、電
流バイアス設定時に誤差が生じる。 この問題を解決するための実施例を第4図のフローチ
ャートにより説明する。チャネルの感度レベルがあるし
きい値に達しているか否かをマイクロコンピュータによ
り判断する。しきい値に達しないSQUID素子は使用しな
いと判定し、電流バイアス設定時の対象から外す。この
結果、電流バイアスをより正確に設定することが可能と
なる。 本発明の第1及び第2の実施例では、各チャネルごと
に磁束検出感度が高くなる電流バイアスを求めた後に多
チャンネルの電流バイアス値を設定する。このためには
マイクロコンピュータを介すことが必要となり、電流の
設定が複雑で時間がかかるという問題がある。 この問題を解決し、電流バイアス設定を短時間に行う
ための実施例を第5図に示す。先に述べたようにSQUID
磁束計はFLL状態で動作させるため、多少の感度バラツ
キによる系の利得の変動誤差はあまり問題とはならな
い。そこで、素子特性に大きなバラツキがない場合に
は、各チャネルの電流バイアスの平均値を求めることは
各チャネルの磁束検出感度の和が最大になるように電流
バイアス値を設定することと等価になる。 磁束検出感度をあらわすプリアンプ4の出力電圧を加
算器14で加算する。加算後の信号が最大となるように電
流バイアス調整器15は調整出力を発して電流源9の出力
電流を調整する。このような電流バイアスの調整は、イ
ンプットコイルに擬似信号を入力したときのプリアンプ
の出力レベルが最大になるように最適電流バイアス値を
設定する方法や、電流バイアスを変化させたときの変調
信号の倍周波数成分をとらえる方法などにより容易に行
うことができる。本実施例により、電流バイアス設定に
要する時間を大幅に短縮することができ、さらに故障し
たSQUID素子が存在した場合にも正確に電流バイアスの
設定を行うことができる。 上記の実施例はSQUID素子のバラツキ度合いがほぼ等
しく、小さいとの仮定のもとで考えられている。しかし
ながら、作成されたチップごとにSQUID素子の特性が異
なる可能性がある。このため、上記の電流バイアスの設
定方法を同一チップ上のSQUID素子に関して適用し、チ
ップごとに電流バイアスを設定することが有効であると
考えられる。本方法に関する実施例を第6図に示す。複
数の超伝導回路チップ16には、それぞれ特性の等しい2
つ以上のSQUID素子が配列され、各チップごとに第1の
実施例で述べたような回路構成を持っている。つまり同
一チップ上のSQUID素子に対して共通の電流源9を有
し、それぞれ抵抗を介して電流バイアスが与えられる。
図のようにm枚のチップがある場合にはm個の電流バイ
アスで駆動する。この結果、全てのSQUIDを同一電流バ
イアスを用いて駆動する場合に比べて、素子感のバラツ
キの影響を低減できるため、磁束検出感度を向上し高精
度で磁場の検出を行うことが可能となる。なお、このと
きの電流バイアス値の設定は本発明の第1、第2あるい
は第3の実施例を用いることで実現可能である。 上記の実施例では、同一電流バイアスを用いた場合に
SQUIDの感度がほぼ等しくなると仮定している。しかし
ながら、各チャネルの感度を正確に知ることは磁場強度
を測定する上で重要であり、各チャネルの磁束検出感度
を記録することが有効である。このための実施例を示す
フローチャートを第7図により説明する。本発明の第1
の実施例において述べたように、電流バイアス設定時の
プリアンプの出力は磁束検出感度を表す。そこで、第3
図のフローチャートで示す同一電流バイアスの設定後、
プリアンプの出力を各チャネルごとにA/D変換器を介し
てマイクロコンピューターに取り込む。このように各チ
ャネルの磁束検出感度のデータを記録しておくことによ
り、各チャネルの感度バラツキを防ぐことができる。ま
た、この方法は、本発明の第2及び第3の実施例におい
てもプリアンプ出力をA/D変換器を介してマイクロコン
ピュータに取り込むことにより、実現可能である。
多チャンネルSQUID磁束計において、SQUIDを駆動する
電流バイアスおよびSQUID素子に対して直列に抵抗を冷
却媒体内で接続し、それらのSQUID素子を並列接続し
て、さらに各SQUIDの電流バイアスの平均値により、多
数のSQUID磁束計を同一電流バイアスで駆動することに
より、多チャンネル化に伴う信号線の増加を防ぎ、多数
のSQUIDをほぼ等しい高感度で駆動することができる。
電流バイアスおよびSQUID素子に対して直列に抵抗を冷
却媒体内で接続し、それらのSQUID素子を並列接続し
て、さらに各SQUIDの電流バイアスの平均値により、多
数のSQUID磁束計を同一電流バイアスで駆動することに
より、多チャンネル化に伴う信号線の増加を防ぎ、多数
のSQUIDをほぼ等しい高感度で駆動することができる。
第1図は本発明の第1の実施例を示す図、第2図は電流
バイアス値に対する磁束検出感度を模擬的に表した図、
第3図は本発明の第1の実施例を説明するフローチャー
ト、第4図は本発明の第2の実施例を説明するフローチ
ャート、第5図は本発明の第3の実施例を示す図、第6
図は本発明の第4の実施例を示す図、第7図は本発明の
第5の実施例を説明するフローチャートである。 符号の説明 1……SQUID素子、2インプットコイル、3……フィー
ドバックコイル、4……プリアンプ、5……1チャンネ
ルSQUID磁束計、6……電圧電流変換器、7……電子回
路、8……抵抗、9電流バイアス、10……マルチプレク
サ、11……A/D変換器、12……マイクロコンピュータ、1
3……D/A変換器、14……加算器、15……電流バイアス調
整器、16……1チップ上のSQUID磁束計
バイアス値に対する磁束検出感度を模擬的に表した図、
第3図は本発明の第1の実施例を説明するフローチャー
ト、第4図は本発明の第2の実施例を説明するフローチ
ャート、第5図は本発明の第3の実施例を示す図、第6
図は本発明の第4の実施例を示す図、第7図は本発明の
第5の実施例を説明するフローチャートである。 符号の説明 1……SQUID素子、2インプットコイル、3……フィー
ドバックコイル、4……プリアンプ、5……1チャンネ
ルSQUID磁束計、6……電圧電流変換器、7……電子回
路、8……抵抗、9電流バイアス、10……マルチプレク
サ、11……A/D変換器、12……マイクロコンピュータ、1
3……D/A変換器、14……加算器、15……電流バイアス調
整器、16……1チップ上のSQUID磁束計
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−476(JP,A) 特開 平1−227975(JP,A) 特開 昭64−50975(JP,A) 特開 昭59−133475(JP,A) 特開 昭64−80888(JP,A) 特開 平1−304373(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01R 33/00 - 33/18
Claims (1)
- 【請求項1】冷却媒体内に配置される複数のSQUID素子
を用いる多チャンネルSQUID磁束計において,前記SQUID
素子に検出すべき入力磁束を伝達する入力系と,前記SQ
UID素子の出力に対応する磁束と変調磁束とを帰還する
帰還系とを具備する磁束検出回路の複数チャンネルを有
し,該各チャンネルの前記SQUID素子の各々に直列に接
続される抵抗と,前記各SQUID素子を共通に駆動する電
流バイアス源と,前記複数チャンネルの磁束検出感度の
和が最大となるように前記電流バイアス源の出力電流を
設定する電流設定手段を有し,前記各抵抗が前記電流バ
イアス源に並列接続され,前記各抵抗が前記冷却媒体内
に配置されることを特徴とする多チャンネルSQUID磁束
計。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2337130A JP3058681B2 (ja) | 1990-11-30 | 1990-11-30 | 多チャンネルsquid磁束計 |
DE19914139212 DE4139212C2 (de) | 1990-11-30 | 1991-11-28 | Mehrkanal-SQID-Magnetometer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2337130A JP3058681B2 (ja) | 1990-11-30 | 1990-11-30 | 多チャンネルsquid磁束計 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04204279A JPH04204279A (ja) | 1992-07-24 |
JP3058681B2 true JP3058681B2 (ja) | 2000-07-04 |
Family
ID=18305730
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2337130A Expired - Fee Related JP3058681B2 (ja) | 1990-11-30 | 1990-11-30 | 多チャンネルsquid磁束計 |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3058681B2 (ja) |
DE (1) | DE4139212C2 (ja) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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CA2303677A1 (en) * | 1999-04-09 | 2000-10-09 | Hideo Itozaki | Device and method for easily adjusting working point of squid |
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