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    ICF 与激光等离子体

陈学前   沈展鹏   刘信恩  

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反射镜组件是光机装置的重要组成部分,反射镜片的转角稳定性对光路的传输有着直接影响。为了分析获得在地脉动载荷作用下反射镜片的转角响应,分别基于整体结构建模技术和子结构技术建立了某光机装置简化结构的有限元模型,并分析获得了装置中两个反射镜片的转角响应。两种方法得到的反射镜片的转角响应差别分别为3.99%,11.84%,说明基于子结构技术开展光机装置反射镜架组件的稳定性分析是可行的。

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罗 奎   傅思祖   黄秀光   贺芝宇   贾 果   舒 桦   贺 昊   夏 淼  

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液氘在高压下有丰富的电学光学性质。利用反射率和相对介电函数关系并从广义极化角度出发初步建立了计算低Z材料电导率的简易模型; 在神光-Ⅱ装置上利用第九路激光冲击加载液氘材料并测量了其在强激光冲击下的高压状态参数和反射率。结合上述理论模型和实验, 研究了高压下液氘的电离度和电导率。结果表明, 液氘在约70 GPa时的电导率约为2.87×105 (Ω·m)-1, 已呈现出较为明显的金属电导特性。显然, 冲击加载下液氘从绝缘分子态开始电离并向金属氘转变发生在更低的压强。

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杨 月   赵宗清   郑建华   张天奎  

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基于激光驱动超热电子产生的高品质X射线源是高能量密度实验中有效的诊断技术手段, 对辐射源亮度、穿透性和时空分辨率等特性具有极高的要求。结合粒子模拟和蒙特卡罗模拟研究, 首先利用近临界密度等离子体实现了激光自聚焦通道中的大电量高能电子加速, 通过直接加速机制产生了电量超过600 nC、有效温度可达15 MeV的高能电子; 以此为基础提高电子-光子能量转换率, 有效优化了光子能量和产额, 并通过一定的转换靶参数优化方案产生了微焦点(FWHM小于200 μm)、高能、高亮度X射线, 为高空间分辨(小于200 μm)成像诊断提供了很好的途径, 有望早日实现激光等离子体轫致辐射单脉冲瞬态照相的实际应用。

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    复杂电磁环境

周立栋   孙永卫   原青云   蒙志成   杨茂松  

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由于聚四氟乙烯(PTFE)具有优良的绝缘性、化学稳定性, 因此常被用于航天器线缆制作。为了研究聚四氟乙烯材料沿面闪络特性, 实验在正常大气压下对聚四氟乙烯材料两端施加直流高压, 得到放电电压值以及电压、电流波形。通过整理、对比发现：随着闪络次数的增加, 材料放电电压呈先增大后稳定的规律, 闪络平均场强呈降低趋势。对实验结果进行分析, 认为介质表面粗糙程度的改变、材料表面化学变化是影响聚四氟乙烯沿面闪络电压的重要原因。根据闪络次数对电压的影响提出了较为准确描述PTFE闪络电压的方法。

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张子剑   陈 曦   李茜华   王 頔   龚 博  

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对RS触发器中金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)的烧毁作用进行研究,通过仿真分析在不同入射端口、不同上升时间的条件下RS触发器的损伤阈值,结合其内部温度分布图完成失效机理分析,进而得出对于上升时间长的强电磁脉冲,需要更高的峰值场强、更长的时间才能将RS触发器烧毁。

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孙 勇   刘 强   闫丽萍   赵 翔   周海京  

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对开孔金属腔屏蔽效能(SE)的四种快速算法——传输线等效电路法、EMT法、ILCM法、Modal-MOM法的适用性进行评估,为不同实际工程问题选用恰当的算法提供了依据。为了解决传统SE结果描述方法不适用于快速算法适用性评估的问题,采用绝对误差和曲线相关系数这两个参数,提出SE随金属腔和孔缝尺寸单独变化的Contour图描述方法。在此基础上,利用864组不同形状、尺寸矩形金属腔的SE计算结果,分析并确定了四种SE快速算法满足不同计算精度时适用的腔体模式数。结果表明,在同等计算精度条件下,Modal-MOM算法可适用的腔体模式数最多,ILCM算法次之,而传输线等效电路法适用腔体模式数最少,这些结果为实际工程应用提供了指导。

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    高功率激光与光学

魏昊波   代万俊   王德恩   袁 强   薛 峤   张 鑫   杨 英   赵军普   魏晓峰   胡东霞  

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双脉冲双向传输放大构型是一种在惯性约束聚变激光驱动器领域具有极大应用价值的新型多程放大技术。针对变形镜代替腔镜对双向传输放大构型两束脉冲波前畸变进行补偿的问题, 通过将两束脉冲波前先拼接再补偿的方法, 研究出了一种基于双变形镜双哈特曼-夏克传感器耦合控制的新型波前校正技术, 并利用神光-Ⅲ主机装置的实测数据进行了模拟验证。结果表明, 该技术能够有效控制两束激光传输放大过程中所引入的波前畸变, 满足系统对空间滤波器过孔的要求。

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李国会   向汝建   吴 晶   欧 龙   徐宏来  

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根据非稳腔薄片激光器腔内离焦的特点和主动校正的应用需求,针对性地设计离焦变形镜,对激光器腔内离焦进行实时补偿。采用压电陶瓷作为驱动器,圆形镜面圆心处设置1个驱动器,圆周上均布4个驱动器的5通道布局模式,仿真分析了筋板厚度和镜片厚度对离焦的校正效果影响,在优化设计的基础上研制出水冷式离焦变形镜,其静态面形PV值为0.34 μm,波前动态范围为±16 μm。在离焦变形镜和二维变形镜组合模式下进行了薄片激光器强光主动光学校正试验,谐振腔腔内像差PV值从6.76减小到1.44,光束质量从19.5提高到6.5,有效地改善了输出光束质量,验证了离焦变形镜对非稳腔薄片激光器离焦校正的有效性和实用性。

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王春阳   冯国英   杨火木  

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流体直接冷却Nd: YAG片状激光器系统中,流体流经增益介质时存在水力入口段,使用Ansys仿真软件,讨论了不同水力入口段距离对流体热交换系数的影响,并在此基础上,将水力入口段距离进行分类,分析了水力入口段距离对热应力以及光束传输的影响; 模拟了不同冷却液的冷却效果; 研究了流体处于不同流动状态时,水力入口段距离与流体热交换系数的关系,以及水力入口段距离与增益介质温度分布的关系; 得到了这种高功率激光器冷却系统中,最佳水力入口段距离的范围。结果表明：流体流经增益介质时,不同的水力入口段距离只是规律性地移动了流体的热交换系数曲线,因此,避开流体热交换系数曲线中变化较大的区域,即0～2.25 mm范围内的水力入口段距离,可实现介质内更小的温度梯度,同时降低热应力以及波前畸变,从而实现更好的冷却效果。

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    核科学与工程

吴文斌   于颖锐   向宏志   甯忠豪   李 庆  

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三维多群中子扩散方程的精确、高效求解是核动力堆芯设计及燃料管理的基础。应用有限差分方法求解该方程具有简便、精确、成熟的优点; 然而,该方法的计算量和存储量均较大,极大地限制了它的计算规模和应用范围。本文基于大规模并行计算,研究三维多群中子扩散方程有限差分方法：采用中心有限差分格式离散中子扩散方程; 基于MPI并行编程模型,采用空间区域分解的方式实现大规模并行计算; 采用多群多区域耦合PGMRES算法进行并行加速。在集群服务器上开发了ParaFiDi程序,并采用IAEA3D,PHWR等多个基准题对该程序进行验证。数值结果表明,ParaFiDi程序具有较高的计算精度和计算效率。

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严维鹏   李斌康   宋顾周   段宝军   姚志明   宋 岩   韩长材   许梦轩  

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为了测量脉冲时间宽度小于20 ns时的γ射线时间分辨图像, 发展了新型无机闪烁体Yb: YAG, 并实验测量了晶体的发光衰减时间、X射线激发发光光谱、相对发光效率和空间分辨等性能, 研究了Yb: YAG晶体的发光性能。实验表明, Yb: YAG发光有三种衰减成分, 快成分衰减常数为1.2 ns, 慢成分衰减常数与射线种类有关; X射线激发发光光谱在250~800 nm范围, 有三个发光峰, 分别为320, 380和500 nm, 且320 nm处强度最大; 相对发光效率为1900 ph/MeV; 使用钨分辨卡测得Yb: YAG空间分辨能力为2 lp/m, 使用刀口法测得空间调制传递函数为0.5时的频率为0.7 lp/mm。结果说明Yb: YAG晶体性能能够满足所需测量要求。

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    激光与粒子束技术应用

王学德   李一鸣   聂祥樊   贾文铜   田 乐   李 翔  

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为了在不影响柱状晶组织的前提下改善DZ17G定向凝固合金的力学性能, 采用微激光冲击强化方法进行表面处理, 通过X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和显微硬度计, 测试分析微激光冲击对DZ17G定向凝固合金表面完整性的影响。试验结果表明：在水下无吸收保护层微激光冲击处理后, 合金表面发生了烧蚀、熔融, 1次冲击后形成光滑熔融区, 但随着冲击次数增加而形成了大量微小烧蚀孔洞和难熔颗粒; 表层组织仍由γ和γ′两相组成, 柱状晶内形成了高密度位错和位错缠结, 但未发生晶粒细化; 硬度在深度上呈梯度分布, 冲击1次后硬化层深度仅为100 μm, 表面硬度值达到503 HV, 提高了22.7%, 而且硬度值和硬化层深度都随着冲击次数增加而增大。

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    加速器技术

江孝国   王 远   夏连胜   张 篁   李 洪   杨国君   龙全红   石金水   李 劲  

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在注入器段阳极杆内不同位置进行电子束包络的测量可以为多脉冲电子束在注入器段的传输磁场配置调试提供最直接的支撑,也是研究热阴极发射性能的重要手段,测量工作具有极为重要的意义。神龙二号采用热阴极作为多脉冲电子束源的发射体,对真空的要求极高,且加热及降温周期较长,不适合频繁地破坏真空进行测量位置的调整; 针对这样的特点,设计了一套可伸缩式的测量装置,结合多幅分幅相机,在不破坏真空的情况下,可以完成多个位置的束包络的时间分辨测量,在提高测量效率的基础上进一步提高了注入器的调试效率。

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钟胡天翔   朱 凤   全胜文   王 芳   刘克新  

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基于超导器的连续波运行的高流强质子/氘束被越来越多的大科学装置所采用。在流强低于10 mA情况下, 用于加速低β段粒子的超导腔的高阶模影响基本可以忽略, 但是对于加速百mA强流的低β超导腔, 其高阶模损耗情况有待研究。近期北京大学设计并加工了一支β=0.09、运行频率162.5 MHz的超导半波长谐振腔, 用于研究非相对论低β超导半波长谐振腔加速100 mA强流质子束时可能涉及到的关键物理问题。重点研究了这支半波长谐振腔内部高阶模损耗的问题, 用时域和频域两种方法分别计算了腔的高阶模损失因子, 同时计算了考虑加工误差下腔内发生高阶模共振激发的概率。

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郭 帆   蒋 薇   杨兴林   章林文  

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在直线感应加速器控制系统中, 可编程逻辑控制器(PLC)作为前端控制器被广泛应用于人身安全保护系统中, 实现PLC于实验物理及工业控制系统(EPICS)中的输入输出控制(IOC)集成成为系统架构中必须解决的问题。为此, 介绍了一种新型的基于S7 nodave设备驱动和异步通讯模块Asyn的IOC与PLC通信方法。该方法可实现IOC对S7 PLC过程映像区及内存变量的透明访问, 而不需要制定通讯协议。分析了基于S7nodave和Asyn模块与S7 PLC的通信机制, 并给出了应用实例。

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张 绚   刘 军   管永红   张小琳   庞 健  

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在高能闪光照相流体动力学实验中,模糊问题严重影响诊断结果的精度。模糊图像的边界检测结果与真实边界之间往往存在位置偏移,称为边界退化量。在照相布局和客体确定的条件下,模糊尺寸越大,边界退化量越大。利用边界退化量与模糊尺寸的这一关系,提出一种从边界检测中测量系统模糊尺寸的新想法,从闪光照相成像物理过程角度阐释了方法的原理,然后通过数值实验分析了方法的处理过程,建议测量实验利用倒锥准直器对球形客体成像。模拟结果表明：采用该方法模糊函数的FWHM误差小于1个像素。最后借助数值模拟对台阶客体照相实现了对模糊尺寸测量结果的验证。

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李 青   康 文   孙献静   邓昌东   陈 宛  

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针对交流二极磁铁的磁场特性和涡流问题,利用电磁场分析软件对磁铁进行了优化设计和温度场计算,确定了交流二极磁铁关键技术的方案。对交流二极磁铁极头端面采用了罗高斯基曲线和谐波削斜的方法来提高磁铁磁场质量; 对铁芯端部和端板进行开槽优化设计,有效切断磁铁端部主要的涡流回路,降低了磁铁温升; 磁铁线圈采用铝绞线导线进行绕制,以减少磁铁线圈内的涡流损耗。最后,通过对样机磁铁的测试,磁场均满足物理要求,磁铁温度也控制在安全范围内。

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秦志明   冒立军   赵 贺   汤梅堂   李 杰   杨晓东   杨建成   阮 爽   吴 波   王 耿   刘 杰   乔 舰  

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实验研究了HIRFL-CSRm中电子冷却装置对C6+,Ar15+两种束流寿命的影响。首先, 通过对比实验的测量确定电子冷却可以有效提高束流寿命; 其次, 探究了电子冷却装置中的各项参数(主要是电子束密度分布、流强、能量、绝热展开因子)是如何影响束流寿命的, 通过改变电子束参数, 测量束流寿命的变化趋势和规律, 并且结合电子冷却相关理论对实验结果给予解释, 最终通过实验优化和确定最佳的冷却装置参数, 使束流在HIRFL-CSRm上获得了较高的寿命, 从而提高HIRFL-CSRm束流累积过程中的流强增益。

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王 毅   李 勤   代志勇  

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光学渡越辐射具有良好的方向性,通过对光学渡越辐射空间分布曲线进行拟合可以对束流发散角进行计算。采用理论计算的方法,分析了电子入射到金属-介质界面时,入射角变化对光学渡越辐射二维空间分布的影响。计算分析表明,光学渡越辐射在特定偏振方向上的分布并不仅仅由电子束在该方向的发散角分量决定,同时还受到其他方向发散角分量的影响。计算对比了电子束散角一维分布和二维分布模型下光学渡越辐射空间分布的差异。结果表明,采用一维分布模型拟合计算的电子束均方根发散角存在偏差,较二维分布拟合结果偏小。

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    脉冲功率技术

李海波   沈 莉   翟 军   周国仲  

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详细分析了中国散裂中子源(CSNS)直线加速器低能端预切束电源工作原理。切束束团上升沿和下降沿的快慢是衡量切束电源性能好坏的重要指标, 经过研究, 研制了一台脉冲幅值6 kV, 前后沿纳秒级的切束腔电源, 应用纯硬件电路代替软件的方法实现高频和低频定时信号的同步和与处理, 使该电源输出稳定可靠的高压脉冲。该电源基于直流高压加快速高压开关的设计方案来实现高压、高重复频率及纳秒级快沿的脉冲输出, 具有多脉冲和单脉冲两种工作模式, 满足了直线加速器单束团和多束团注入到快循环质子同步加速器(RCS)的要求。CSNS直线加速器切束实验的结果表明, 切束电源满足各项设计指标要求。

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杨 龙   王 强   阚明先   段书超   王刚华  

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高气压下的微型电热推进器(MPT)中的放电等离子体存在多负辉区结构, 其负辉区有融合趋势。对矩形微放电等离子体推进器(RMPT)的负辉区融合过程进行了二维模拟分析, 在方法上采用了非平衡态的自洽流体模型, 并考虑了离子电流加热和三体碰撞过程。结果显示：矩形微放电等离子体推进器(RMPT)在低电流条件下存在两个稳定的负辉区, 当超过某一电流阈值条件后, 两个负辉区会在腔体中心重合。分析了这一过程的成因, 认为其融合过程本质上是空心阴极的导通过程, 其融合与否与鞘层电压有关。

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    微纳技术

闫鸿浩   张潇飞   赵碧波   赵铁军   李晓杰  

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采用凝聚炸药爆轰和气相爆轰分别制备碳包铜纳米颗粒,并利用XRD,Raman和TEM等方法对合成纳米产物进行对比分析。其中凝聚炸药爆轰法以柠檬酸铜干凝胶、油酸和黑索金为原料按照一定比例配成爆炸源,在氮气的保护氛围中引爆; 而气相爆轰法以乙酰丙酮铜为原料,分别以H2和O2,H2和空气为爆炸源,在负氧条件下引爆。通过XRD,Raman和TEM分析结果表明,两类爆轰法均可得到分散性良好的碳包覆铜纳米颗粒,碳壳石墨化程度较高。气相爆轰可以合成10 nm以下的纳米晶粒,而凝聚炸药爆轰合成的晶粒尺寸在20~40 nm,且存在较多空壳结构; 气相爆轰产物其碳壳尺寸在2~3 nm,凝聚炸药爆轰产物其碳壳尺寸在2~5 nm。

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何小嵩   张占文   荣伟彬  

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惯性约束聚变试验中,对大批量的聚变靶球的表面质量进行检测和分类是一项重要的工作。传统的人工检测分类方法效率低,精度差,难以满足实际需要。提出了一种基于计算机视觉的缺陷检测及分类方法。该方法在获取待测微球的显微图像之后,通过设置兴趣区域提取圆内部的像素点,并以此绘制灰度直方图。然后计算其累积分布函数,经归一化处理之后对分布函数进行分段线性拟合。最终根据拟合后的分布函数,提出均匀性和透光性两个参数用于定量表示微球的表面质量,很好地实现了光滑、粗糙和畸形三种类型的微球的分类。实验结果表明,该检测分类方法的准确率均在90%以上,处理1280×960分辨率的包含20个微球的图像平均只需300 ms,准确高效,可扩展性强。

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罗 震   王 军  

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纳米级金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)精确的高频噪声模型是毫米波集成电路低功耗设计的重要基础,而现有的高频漏极噪声模型不仅没有融合器件的衬底效应和栅电阻效应,也没有充分考虑器件的频率和偏置依赖性。针对上述问题,基于纳米MOSFET器件的物理特性,并结合漂移扩散方程和有效栅极过载,建立统一表征强反区到弱反区的频率和偏置依赖性的漏极噪声模型,使之便于移植到先进设计系统(ADS)仿真设计。通过所建模型的仿真结果与实验测试结果进行比较,验证所建模型的准确性。同时比较所建模型对130 nm和40 nm MOSFET两种不同工艺器件的实用性,验证其对表征40 nm MOSFET的毫米波噪声特性的优越性。

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    综 述

高 杨   雷 强   赵俊武   吕军光  

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微机械谐振式加速度计(MMRA)是通过检测加速度施加前后谐振器谐振频率变化实现对加速度检测的。该传感器具有频率信号输出、稳定性好、灵敏度高、精度高等优点, 己成为MEMS传感器的重要发展方向之一。详细讨论了微机械谐振式加速度计设计中的关键技术, 难点及对应解决方案、发展趋势。其中, 关键技术包括机械结构、激励与检测方式以及谐振器刚度改变方式。分析了谐振器的三种机械结构以及微杠杆工艺误差造成的不对称性; 根据谐振器材料的压电特性, 可将MMRA分为压电MMRA和非压电MMRA, 压电MMRA的激励与检测方式都是压电激励/压电检测, 非压电MMRA主要为静电激励/电容检测; 讨论了轴向应力和静电刚度这两种谐振器刚度改变方式的原理和适用范围。微机械谐振式加速度计主要存在四个技术难点：机械耦合、温度特性、工艺误差、组装与封装, 并针对这四点给出了相应的解决方案。集成, 静电刚度, 新材料, 多轴以及更高的性能指标将是今后微机械谐振式加速度计的主要发展趋势。

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