DE1225775B - Verfahren und Einrichtung zur Bearbeitung eines Werkstueckes mittels eines Ladungstraegerstrahles - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H05h

Deutsche KL: 21g-21/01

Nummer: 1225 775

Aktenzeichen: Z10000 VIII c/21 g

Anmeldetag: 23. März 1963

Auslegetag: 29. September 1966

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Bearbeitung eines Werkstückes mittels eines durch eine elektromagnetische Linse auf das Werkstück fokussierten Ladungsträgerstrahles, bei dem der durch die Fokussierungslinse fließende Strom automatisch in Abhängigkeit von den Werten der Beschleunigungsspannung und des Strahlstromes auf den für die Fokussierung des Ladungsträgerstrahles notwendigen Wert eingestellt wird.

Bei den bekannten zur Materialbearbeitung mittels Ladungsträgerstrahles dienenden Geräten wird der Ladungsträgerstrahl mittels einer elektromagnetischen Linse auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert. Zu diesem Zweck wird der durch die Fokussierungslinse fließende Strom von Hand eingestellt, während der Bereich des Werkstückes, der von dem Elektronenstrahl getroffen wird, über eine Beobachtungsvorrichtung betrachtet wird. Der Linsenstrom durch die Fokussierungsspule wird dabei normalerweise so eingestellt, daß der Auftreffpunkt des Ladungsträgerstrahles auf der Oberfläche des Werkstückes seinen engsten Querschnitt erreicht.

Eine solche Einstellung der Fokussierung ist ziemlich umständlich und zeitraubend und ist darüber hinaus mit subjektiven Fehlern belastet.

Wird während der Materialbearbeitung, bedingt durch eine Änderung der Werkstückdicke oder der Beschaffenheit des Werkstückes, die zu Beginn der Bearbeitung eingestellte Beschleunigungsspannung oder der Strahlstrom verändert, so verändert sich die Fokussierung, und es ist deshalb notwendig, unter dauernder Beobachtung der Auftreffstelle des Ladungsträgerstrahles von Hand den Linsenstrom durch die Fokussierungslinse nachzustellen. Diese Notwendigkeit der Nachstellung der Fokussierung tritt auch dann auf, wenn die Oberfläche des bearbeiteten Werkstückes reliefartig ausgebildet ist. In diesem Fall ändert sich also der Arbeitsabstand, d. h. der Abstand zwischen der Unterkante der Fokussierungslinse und der Oberfläche des Werkstückes. Eine solche Änderung des Arbeitsabstandes bedingt eine Nachstellung der Fokussierung.

Wie ohne weiteres einzusehen ist, ist eine solche dauernde Beobachtung des Werkstückes, welche mit einer ständigen Kontrolle der Fokussierung verbunden ist, für den das Gerät Bedienenden ziemlich anstrengend und ermüdend.

Es ist schon vorgeschlagen worden, die Fokussierung des Ladungsträgerstrahles automatisch vorzunehmen. Dabei wird die Brechkraft der Fokussierungslinse periodisch verändert und es wird die Verfahren und Einrichtung zur Bearbeitung eines Werkstückes mittels eines Ladungsträgerstrahles

Anmelder'

United Aircraft Corporation,

East Hartford, Conn. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Weickmann,

Dr.-Ing. A. Weickmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann und Dr. K. Fincke,

Patentanwälte, München 27, Möhlstr. 22

Als Erfinder benannt:
Helmut Spruck, Essingen

Menge der vom Werkstück ausgehenden Ladungsträger gemessen. Sobald diese Menge einen Extremwert erreicht, wird der in diesem Moment durch die Fokussierungslinse fließende Strom in seiner Stärke festgehalten. Dieses Verfahren kann nicht während der gesamten Bearbeitung kontinuierlich durchgeführt werden, sondern es wird in periodischen Abständen während der Bearbeitung wiederholt. Außerdem kann bei diesem Verfahren nur eine relativ geringe Änderung der Fokussierung erfaßt werden.

Ferner ist eine Einrichtung zur Bearbeitung eines Werkstückes mit Hilfe eines Ladungsträgerstrahles bekannt. Diese Einrichtung gestattet es, unter anderem beispielsweise Löcher von bestimmter Querschnittsform in einen Gegenstand einzubohren. Die Form der Löcher kann dabei über die Tiefe des gewünschten Bohrloches vorgeschrieben werden. Es können also nicht nur zylindrische, sondern auch nach innen oder nach außen konisch zulaufende Löcher gebohrt werden. Hierzu sind die Strahlablenkungs- und/oder Strahlformungsmittel so ausgebildet, daß über die Tiefe des gewünschten Schnittes eine vorgeschriebene, von der zylindrischen abweichende Form erzielt wird. Der Ladungsträgerstrahl kann also über seine Längsausdehnung eine vorbestimmte, definierte Querschnittsform erhalten.

Auch wurde bereits ein Elektronenstrahlschweißgerät beschrieben, in welchem zwischen dem Elek-

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tronenstrahlerzeugungssystem und der Bearbeitungs- Fokussierung des Ladungsträgerstrahles bewirkt, kammer eine Metallplatte vorgesehen ist, welche Wird nun nach Abschalten des Strahles das WoIfbeide Räume voneinander abtrennt. In dieser Platte ramblech durch das Werkstück ersetzt, so ist bei oder Blende ist eine sehr kleine Öffnung angebracht, Beginn des Bearbeitungsvorganges der Ladungsweiche den Durchtritt des Elektronenstrahles erlaubt, 5 trägerstrahl richtig auf die Werkstückoberfläche fojedoch als Diffusionssperre für die im Bearbeitungs- kussiert.

raum erzeugten Gase dient. In diesem Gerät sind Unter Umständen ist es auch möglich, vor Beginn zwei elektromagnetische Fokussierungslinsen vor- der Bearbeitung mit HiKe einer normalen Glühlampe gesehen. Die erste Linse fokussiert den Elektronen- einen Lichtfleck auf der Werkstückoberfläche 2x1 erstrahl so, daß sein Brennfleck in der Öffnung der 10 zeugen und diesen Lichtfleck mit dem optischen Blende liegt. Der von dieser Öffnung ausgehende Entfernungsmesser anzumessen. Auf diese Art wird Strahl wird mittels der zweiten Linse auf das Werk- erreicht, daß schon im Zeitpunkt des Einschaltens stück fokussiert. des Gerätes der genau richtige Arbeitsabstand ein-

Eine solche Anordnung bedingt nun eine gute gestellt ist.

Fokussierung des Elektronenstrahles auf die Blen- 15 Die Einrichtung nach der Erfindung besteht vor-

denöffnung. Hier wird der in der Platte durch eine teilhafterweise aus einem bekannten Gerät zur

leichte Defokussierung des Strahles erzeugte Strom Materialbearbeitung mittels Ladungsträgerstrahles,

zur Einstellung der Linsenströme benutzt. welches eine zur Fokussierung des Ladungsträger-

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Strahles dienende elektromagnetische Linse enthält. Verfahren und eine Einrichtung zur Bearbeitung 20 Es kann hier ein zur Stromversorgung der Fokussieeines Werkstückes mittels eines, durch eine elektto- rungslinse dienendes Linsenstromgerät vorgesehen magnetische Linse auf das Werkstück fokussierten sein, dessen zur Bestimmung der Stärke des er-Ladungsträgerstrahles, bei dem die richtige Fo- zeugten Stromes dienende Mittel mit Mitteln zum kussierung des Ladungsträgerstrahles unabhängig Einstellen der Beschleunigungsspannung und des vom Wechsel der Einstellungen ständig erhalten 25 Strahlstromes verbunden sind, und ferner kann ein bleibt. optischer Entfernungsmesser zur Messung des Ar-

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß beitsabstandes vorgesehen sein, wobei dieser Entwährend der Bearbeitung der Arbeitsabstand laufend fernungsmesser ebenfalls mit dem Linsenstromgerät automatisch gemessen wird und durch den ge- in Verbindung steht.

messenen Werten entsprechende Signale automatisch 30 In vielen Fällen ist es erforderlich, den Fokussie-

der Strom durch die Fokussierungslinse eingestellt rungspunkt des Ladungsträgerstrahles so einzustellen,

wird. Hierdurch wird erreicht, daß der durch die daß er nicht genau auf der Werkstückoberfläche

Fokussierungslinse fließende Strom kontinuierlich in liegt, sondern daß er eine bestimmte Strecke ober-

Abhängigkeit von den die Einstellung beeinflussen- oder unterhalb dieser Oberfläche Hegt. In diesem

den Parametern, d. h. der Beschleunigungsspannung, ₃₅ Fall kann mit dem Linsenstromgerät ein zur Ein-

des Strahlstromes und des Arbeitsabstandes, ge- stellung der axialen Lage des Fokussierungspunktes

ändert wird. dienendes Regelglied verbunden sein. Mit Hilfe

Die Messung des Arbeitsabstandes kann auf dieses Regelgliedes kann die axiale Lage des Fo-

optischem Wege erfolgen. kussierungspunktes in gewünschter Weise verschoben

Hierzu wird vorzugsweise ein optisches System — 40 werden, ohne daß dadurch die übrige automatische

allgemein: ein stelbsttätig arbeitender Entfernungs- Einstellung des Fokussierungspunktes in irgendeiner

messer — benutzt, welches auf die durch die Ver- Weise beeinflußt wird.

änderung dieser Parameter entstehenden Abweichun- Der optische Entfernungsmesser ist vorteilhaft so gen von einer gewünschten Einstellung anspricht und ausgebildet, daß er den vom Ladungsträgerstrahl auf den Strom durch die Fokussierungslinse entsprechend 45 dem Werkstück erzeugten hellen Fleck anmißt und ändert. Die vorliegende Vorrichtung gestattet unter in der gemeinsamen Ebene zweier aneinander ananderem eine feste Ausgangseinstellung des Linsen- grenzender Photozellen zwei Bilder dieses Fleckes stromes bzw. des Fokussierungspunktes in Ab- erzeugt, die bei Erreichen des Abgleiche zusammenhangigkeit dieser Parameter. fallen. Diese Photozellen können mit einer Nachlauf-

Die optische Messung des Arbeitsabstandes setzt 50 einrichtung verbunden sein, welche den Entfernungssomit voraus, daß der Ladungsträgerstrahl ein- messer stets in die Abgleichlage bringt und gleichgeschaltet ist und daß demzufolge seine Auftreffstelle zeitig den Stromregler für die Fokussierungslinse gegenüber der dunklen Umgebung hell aufleuchtet. steuert.

Die Einstellung des Arbeitsabstandes vor Beginn der Die Erfindung wird im folgenden an Hand der

Bearbeitung kann dadurch erfolgen, daß man nur 55 ein Ausführungsbeispiel darstellenden Fig. 1 bis 3

auf den ungefähren Wert einstellt, welcher sich aus näher erläutert. Dabei zeigt

dem bekannten Abstand zwischen Werkstückträger Fig. 1 eine Bearbeitungseinrichtung in schema-

und Linsenunterkante und der Werkstückdicke er- tischer Darstellung,

gibt. Nach Einschalten des Gerätes wird dann auto- F i g. 2 die Ausgestaltung des in F i g. 1 entmatisch der richtige Wert des Arbeitsabstandes ge- 60 haltenen Linsenstromgerätes in schematischer Darmessen, und das Linsenstromgerät wird automatisch stellung,

so beeinflußt, daß die Fokussierung richtig eingestellt F i g. 3 eine andere Ausführungsform des optischen

wird. Entfernungsmessers.

Es ist auch möglich, in Höhe der Werkstück- Bei dem in Fig. 1 dargestellten Gerät zur

oberfläche ein Wolframblech anzuordnen, den Strahl 65 Materialbearbeitung mittels eines Elektronenstrahles

einzuschalten und den entstehenden hellen Fleck auf ist mit 1 die Kathode, mit 2 der Steuerzylinder und

dem Blech anzumessen. Dadurch wird automatisch mit 3 die geerdete Anode des Strahlerzeugungs-

die für den gemessenen Arbeitsabstand richtige systems bezeichnet. Im Gerät 4 wird eine Hoch-

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Spannung von beispielsweise 100 kV erzeugt und fließenden Strom. Mit dem Linsenstromgerät 33 ist mittels eines Hochspannungskabels dem Gerät 5 zu- ein weiterer Regler 34 verbunden, welcher zur Eingeführt. Dieses Gerät dient zur Erzeugung der regel- stellung der axialen Lage des Fokussierungspunktes baren Heizspannung und der regelbaren Steuer- des Elektronenstrahles 10 dient,
zylindervorspannung. Diese Spannungen werden 5 Das Linsenstromgerät 33 ist in seinem schemaüber ein Hochspannungskabel dem Strahlerzeugungs- tischen Aufbau in Fig. 2 dargestellt. Es besteht im system 1, 2, 3 zugeführt. wesentlichen aus den Potentiometern 35,36 und 37

Mit dem Gerät 4 ist ein Regler 6 verbunden, sowie der Batterie oder dem Netzgerät 38. Zur Einweicher zur Einstellung der Größe der Hochspan- stellung des Linsenstromes werden die Abgriffe 39, nung dient. Ein weiterer Regler 7 ist mit dem Gerät 5 10 40 und 41 bewegt. Weiterhin ist es möglich, das verbunden und dient zur Einstellung der Steuer- Potentiometer 37 gegenüber dem Abgriff 41 zu verzylindervorspannung und damit zur Einstellung des drehen, und zwar mittels des Reglerknopfes 34 über Strahlstromes. das Getriebe 42.

In Strahlrichtung gesehen unterhalb der Anode 3 Die Wirkungsweise der hier dargestellten Einist ein Ablenksystem 8 angeordnet, welches zur !5 richtung ist folgende. Vor Beginn der Bearbeitung Justierung des Elektronenstrahles 10 dient. Der wird, ausgehend von den Eigenschaften des Werk-Generator 9 dient zur Stromversorgung des Ablenk- Stückes 16, mittels des Reglers 6 die Beschleunigungssystems 8. spannung und mittels des Reglers 7 der Strahlstrom

Unterhalb des Ablenksystems 8 ist eine Blende 11 eingestellt. Durch den Regler 6 wird der Abgriff 39 angeordnet, welche mittels der Knöpfe 12 und 13 in 20 und durch den Regler 7 der Abgriff 40 im Linsender Papierebene und senkrecht zur Papierebene stromgerät 33 verschoben. Mit Hilfe des Reglers 32 bewegt werden kann. Nach erfolgter Justierung des wird dann der Arbeitsabstand eingestellt, wobei der Elektronenstrahles 10 tritt dieser durch die Blende Abgriff 41 verschoben wird. Die Regler 6,7,32 und 11 und wird mittels der elektromagnetischen Linse 34 arbeiten mit hier nicht dargestellten Skalen zu-14 auf das im Bearbeitungsraum 15 angeordnete 25 sammen. Nach Einstellen der Regler 6,7 und 32 ist Werkstück 16 fokussiert. ein solcher Widerstandswert der Potentiometer 35,

Ein unterhalb der Fokussierungslinse 14 angeord- 36 und 37 eingestellt, daß das Linsenstromgerät 33

netes elektromagnetisches Ablenksystem 17, zu einen Strom durch die Fokussierungslinse 14 schickt,

dessen Stromversorgung der Generator 18 vorgesehen welcher eine Fokussierung des Elektronenstrahles 10

ist, dient zur Ablenkung des Elektronenstrahles 10 30 auf die Oberfläche des Werkstückes 16 bewirkt,

relativ zum Werkstück 16. Ändert sich nun nach erfolgter Einschaltung des

Das Werkstück 16 ist im Bearbeitungsraum 15 auf Elektronenstrahles 10 der Arbeitsabstand, so erzeugt einem Kreuztisch 19 gelagert, welcher mittels der die optische Einrichtung 22, 26, 29 in der Ebene der Handräder 20 und 21 in der Papierebene und senk- Photozellen 27, 28 kein zusammenfallendes Doppelrecht zur Papierebene verschoben werden kann. An 35 bild des leuchtenden Fleckes auf dem Werkstück 16. Stelle der Handräder 20 und 21 können auch Die beiden Bilder wandern von der Mitte ausgehend Elektromotoren vorgesehen sein, welche die Be- um entgegengesetzt gleiche Beträge aus. Durch das wegung des Werkstückes 16 bewerkstelligen. Filter 30 wird dabei erreicht, daß eine der Photo-

Oberhalb der elektromagnetischen Linse 14 ist zellen 27,28 weniger Licht erhält als die andere eine, in Richtung ihrer optischen Achse verschiebbar 40 Zelle. Dadurch spricht die Brückenschaltung 31 an, angeordnete optische Linse 22 vorgesehen. Diese und der Elektromotor 24 erhält Strom. Dieser verLinse ist mit einer Durchbohrung versehen, in schiebt nun über das Getriebe 25 die Linse 22 so welcher ein Rohr 23 angeordnet ist. Der Elektronen- lange in axialer Richtung, bis in der Ebene der strahl 10 fällt durch dieses Rohr 23. Zur Ver- Photozellen 27,28 wieder ein zusammenfallendes Schiebung der Linse 22 in axialer Richtung dient ein 45 Doppelbild erzeugt wird. Diese Verschiebung der Elektromotor 24 und ein Getriebe 25. Oberhalb der Linse 22 wird zugleich über den Regler 32 in das Linse 22 ist ein Spiegel 26 vorgesehen, welcher zum Linsenstromgerät 33 eingegeben. Dadurch wird der Durchtritt des Elektronenstrahles 10 durchbohrt ist. Abgriff 41 auf dem Potentiometer 37 verschoben, Der Elektronenstrahl 10 erzeugt auf der Oberfläche und durch die Fokussierungslinse 14 fließt ein Strom des Werkstückes 16 einen helleuchtenden Fleck. Das 50 veränderter Stärke, welcher nunmehr den Elektrovon diesem Fleck ausgehende Licht tritt durch die nenstrahl 10 trotz des veränderten Arbeitsabstandes Linse 22 und wird über den Spiegel 26 auf die wieder auf die Oberfläche des Werkstückes 16 beiden Photozellen 27 und 28 geworfen. Zwischen fokussiert.

dem Spiegel 26 und den Photozellen 27, 28 ist eine Soll der Fokussierungspunkt des Elektronenweitere Linse 29 angeordnet, welche in der Abgleich- 55 Strahles 10 ober- oder unterhalb der Oberfläche des stellung ein zusammenfallendes Doppelbild des Werkstückes 16 liegen, so wird diese Verschiebung leuchtenden Fleckes auf dem Werkstück 16 in der mit HiMe des Reglers 34 in das Linsenstromgerät 33 Ebene der Photozellen 27,28 erzeugt. In einem Teil- eingegeben. Mit Hilfe des Reglers 34 wird über das strahlengang des von dem Spiegel 26 reflektierten Getriebe 42 das Potentiometer 37 als Ganzes gegen-Lichtes ist ein Filter 30 angeordnet. 60 über dem Abgriff 41 verdreht. Es wird also der

Den Photozellen 27, 28 ist eine Brückenschaltung durch die Fokussierungslinse 14 fließende Strom

31 nachgeordnet, welche mit dem Elektromotor 24 etwas verändert, wobei diese Veränderung eine Ver-

in Verbindung steht. Der Elektromotor 24 dient ein- Schiebung der axialen Lage des Fokussierungs-

mal zur Axialverschiebung der Linse 22 und zum punktes bewirkt,

anderen zur Betätigung des Reglers 32. 65 Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungs-

Der Regler 32 sowie die beiden Regler 6 und 7 beispiel ist im Bearbeitungsraum 15 unterhalb der sind mit dem Linsenstromgerät 33 verbunden. Dieses Fokussierungslinse 14 ein optischer Entfernungs-Gerät liefert den durch die Fokussierungslinse 14 messer angeordnet, welcher aus den beiden Spiegeln

44 und 45 und den Linsen 46 und 47 besteht. Der Spiegel 45 ist halbdurchlässig ausgebildet.

Der Entfernungsmesser ist so eingestellt, daß er in der Abgleichlage in der Ebene der beiden Photozellen 27,28 ein zusammenfallendes Doppelbild des leuchtenden Fleckes auf dem Werkstück 16 erzeugt. Ändert sich der Arbeitsabstand, so wird in der Ebene der Zellen 27,28 kein zusammenfallendes Doppelbild mehr erzeugt, sondern die beiden Teilbilder laufen auseinander. Dadurch erhält eine der beiden Photozellen 27, 28 mehr Strom als die andere Zelle, und die nachgeschaltete Brückenschaltung 31 beginnt zu arbeiten. Über diese Brückenschaltung erhält der Elektromotor 24 Strom, und dieser dreht über die biegsame Welle 43 den Spiegel 45 so lange, bis in der Ebene der Photozellen 27,28 wieder ein zusammenfallendes Doppelbild entsteht. Zugleich mit der Drehung des Spiegels 45 erfolgt die Betätigung des Reglers 32 des Linsenstromgerätes 33.

Der Elektronenstrahl 10 kann kontinuierlich auf das Werkstück 16 auftrennen. In vielen Fällen ist es jedoch vorteilhaft, an Stelle eines kontinuierlich auftreffenden Strahles einen Strahl zu wählen, welcher impulsförmig zur Wirkung kommt. Dieses impulsförmige Zurwirkungkommen des Strahles stört die optische Entfernungsmessung nicht, da die Impulse so kurz gehalten sind, daß keine Veränderung des leuchtenden Fleckes auf der Oberfläche des Werkstückes 16 auftritt.

Die vorliegende Erfindung findet besonders zweckmäßig Anwendung in Geräten zum Fräsen, zum Schneiden, zum Löten oder zum Schweißen mit Hilfe eines Ladungsträgerstrahles. In allen diesen Fällen wird das Werkstück kontinuierlich relativ zum Ladungsträgerstrahl bewegt, so daß also bei einer Änderung des Arbeitsabstandes ein kontinuierliches Nachstellen der Fokussierung erforderlich ist. Die vorliegende Erfindung findet auch zweckmäßige Anwendung in Geräten zum Bohren mit Hilfe eines Ladungsträgerstrahles. Sollen hier in ein Werkstück mehrere Löcher an verschiedenen Stellen gebohrt werden, so ist es nicht notwendig, die Fokussierung zwischen den einzelnen Bohrungen von Hand nachzustellen, da auch hier eine automatische Nachstellung erfolgt.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstückes mittels eines durch eine elektromagnetische Linse auf das Werkstück fokussierten Ladungsträgerstrahles, bei dem der durch die Fokussierungslinse fließende Strom automatisch in Abhängigkeit von den Werten der Beschleunigungsspannung und des Strahlstromes auf den für die Fokussierung des Ladungsträgerstrahles notwendigen Wert eingestellt wird; dadurch gekennzeichnet, daß während der Bearbeitung der Arbeitsabstand laufend automatisch gemessen wird und durch den gemessenen Werten entsprechende Signale automatisch der Strom durch die Fokussierungslinse eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung des Arbeitsabstandes auf optischem Wege erfolgt.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Entfernungsmesser so ausgebildet ist, daß er den vom Ladungsträgerstrahl auf dem Werkstück erzeugten hellen Fleck anmißt und in der gemeinsamen Ebene zweier aneinander grenzender Photozellen zwei Bilder dieses Fleckes erzeugt, die bei Erreichen des Abgleiche zusammenfallen.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Photozellen mit einer Nachlaufeinrichtung verbunden sind, welche den Entfernungsmesser stets in die Abgleichlage bringt und gleichzeitig den Stromregler für die Fokussierungslinse steuert.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1100 835,
1087295;
Welding Journal, 1960, Nr. 8, S. 791 bis 796.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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