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Canhão de Elétrons para Purificação de metais

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Foi Projeto e construído um canhão de eletrons com potencia de 30 kW e corrente de 1,2 A para utililização em fusao e purificacao de metais.Para esse projeto houve a necessidade do uso de mecanica de precisão e de soldas especiais, tal como metal-ceramica. Na camara de fusao a pressao pode chegar ate 10-4 Pa. A analise das caracteristicas do feixe de eletrons foi utilizando-se modelo de Pierce, para o canhao de eletrons e o programa computacional SLAC para a optica eletronica.
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Canhão de Elétrons para Purificação de metais

  1. 1. Antonio Jose Balloni, Antonio Carlos de J. Paes, Carlos Moura Neto e Kazunao Saki Instituto de Estudos Avan~ados - CTA Rodovia dos Tamoios, km 5,5 12.225 - Sao Jose dos Campos - SP Instituto de Pesquisas Espaciais - MCT Avenida dos Astronautas, 1758 12.225 - Sao Jose dos Campos - SP eletrons com potencia de 30 kW e corrente de 1,2 A para utili- lizaCao em fusao e purificacao de metais. Para esse projeto ha necessidade do uso de mecanica de preci- sac e de soldas especiais, tal como metal-ceramica. Na camara de fusao a pressao pode chegar ate 10-4 Pa. A analise das caracteristicas do feixe de eletrons foi utilizando-se 0 modelo de ~ierce, para 0 canhao de eletrons e o programa computacional SLAC para a optica eletronica. Canhao de eletrons e urnsistema eletro-optico compos to de urn feixe de eletrons de dada configurac;ao (cilindrica, tubular au conica) cujo valor do coeficiente do espac;o de carga (perveancia) e suficientemente grande (1). o feixe intenso de eletrons gerado pelo canhao, tende a se expandir clevido a ac;ao do espac;o de carga quando 0 feixe pas~a atraves de urnespac;o livre de campoo magnetico e eletrico. Na presenc;a de campos magnetico e eletrico 0 feixe pode ser confinado, evitando a expansao. Os canhoes de eletrons podem ser classificados em termos da colima~ao do feixe de eletrons ou seja, do metodo de focalizac;ao, subdivididos em sistemas COUl focalizac;ao eletrostatico, magnetico e efeitos combinados. Note-se que : impossivel desenvolver urncanhao puramente magnetico, sem campo eletrostati pois 0 campo magnetico Dao pode controlar a energia dos eletrons. Caso 0 call1po eletrostatico seja usado somente para acelerar os eletrons e 0 feixe e col1mndll pelo campo magnetico, tal canhao e denominado canhao com sistema de focaliznChO magnetica, e, e nesse tipo de canhao que se refere esse trabalho (2). Quanto ao tipo de feixe produzido, por exemplo, feixes colimados com simetria axial, podem ser classificados como cilindrico, tubular (paralelo), coniee (convergente). Outros sistemas de classificac;ao podem ser propostos, tal como em termos de perveancia, presenc;a ou ausencia de compressao, possibilidade de contrale da corrente do feixe, etc. as canhoes modernos usados para colimac;ao de feixe intenso de eletrons saa usualmente sistemas de unico potencial, isto e, uma fonte de eletrons consistindo de urn catodo no potencial zero, 0 anodo como eletrodo de acelerac;ao, e urnou varios eletrodos de focalizacao no potencial do catodo au do anodo. As bobinas magneticas ou magnetos permanentes sac partes presentes em urncanhao com focaliza- caD magnetica. De todos os processos utilizados na fusao e refino de metais, utilizando-se altas temperaturas, tal como farnos de resistencia, foruos de arco, fornos de alta freqUencia, etc, convem destacar 0 que se utiliza de um feixe de eletrons (3). A fusao dos metais utilizando-se urn feixe de eletrons oferece certas vantagens. Primeiramente pode ser aplicada a qualquer tipo de metal. Alem disso, oeste processo consegue-se juntamente com as altas temperaturas, manter 0 metal par longo tempo a baixa pressao 0 que corresponde a melhores condic;oes para 0 refine de metais. Na proxima sec;ao daremos urnbreve resumo da caracterizacao da tecnologia do feixe de eletrons. Na seeao 3 apresentaremos 0 aparato experimental, e, nas sec;oes 4 e 5 serao apresentados urn estudo teorico da parte eletrostatica do canhao baseado no modele de Pierce e resultados das lentes magneticas baseadas no prograrna SLC, respectivamente. Finalmente, na ultima secao, serao apresentadas algumas conclusoes. Qualquer tecnica de processamento de materiais utilizando-se de feixe de letrons, requer que, na camara de trabalho, 0 feixe portador de energia, esteja ndequadamente casado de tal forma a agir sobre 0 material apropriadamente. A gerac;ao do feixe de eletrons e feita via canhao de eletrons. Tais canhoes IInobaseados na emissao de eletrons li,:vres,cuja acelerac;ao e modelagem sao feitas vlH campo eletrostatico. A focalizac;ao e deflexao desse feixe sac realizados por !'/,mposmagn.'tico e eletrico (4). A geracao e propagacaa dQ feixe somente e possivel em alto vacuo. Portanto, IIIll otstema de vacuo e urn dos mais importantes cornponentes na construcao de urn IIJlnhoode eletrons. 0 vacuo necessario na camara de geracao do feixe e normalmente It. 10-2 '" 10-4 Pa. Na camara de trabalho fica em torno de 10-2 Pa.
  2. 2. A pressao, tipo do gas, voltagem de acelera~ao e corrente do feixe sac as principais parametros que determinam a intera~ao entre 0 feixe de eletrons e as rnoleculasde gas ao longo do caminho desde 0 ponto de emissao do feixe at~ 0 ponto de a~ao. Quando 0 feixe incide sobre 0 material a ser processado, no ponto de a~ao, a energia cinetica dos eletrons e convertida em erergia d~ calor ou energia de excita~ao acomica ou molecular. Uma certa quantidaQe de eletrons incidentes e terrnoioni~ade eletrons (5). 0 calor gerado resulta em urnaumento da temperatura sobre a pe~a de trabalho, condu~ao de calor da zona de eonversab de energia para a vizinhanC8, bem como 8 radiacao do calor da sliperfIcieaquecida. Essa excitacao e ionizacao dos atomos e moleculas e a base de todos os processos tecnicos em feixe de'eletrons (2). Ao projetar urnsistema de geracao do feixe de eletrons e necessario evitar que a proximidade entre 0 catoda e 0 material a ser fundido traga problemas para 0 catodo. o catodo pode ser estragado pelo vapor e por gotl~ulas de metal que eventualmente venharn a cair sabre ele. Alem disso, pode ocorrer uma descarga eletrica entre 0 catodo e 0 anodo devido a ionizacao do vapor metalico que existe na regiao entre ambos. A fim de evitar tais transtornos, ~ usual que a geracaa do feixe e a fus~o do metel ocorram em compartimentos diferentes. Tem-se portanto 0 seguinte esquema para fusao de metais gerador eletrostatico do feixe do canhao lente magnetica prisma magnetfco I camara para fusao de metais o canhao de eletrons projetado e em fase de construcao no Instituto do Estudos Avancados tIEAv), segue 0 esquema acima, e, pode ser visto na Figura 3.1. facilidade de se gerar feixes com a~ta perveancia e facilidade de constru~ao. S u sistema de colima~ao do feixe pode ser do tipo cilindrico (paralelo) ou coni 0 (convergente), ambos com simetria axial. Urn feixe paralelo e produzido quando 0 catodo for plano. Para se formar urnfeixe convergente com simetria axial, 0 CBtCldo e anodo devem ser parte de esferas concentricas, enquanto que 0 eletrodo d focalizacao proximo ao catodo e no meSIr.o potencial deve tar 0 formato de unlit xicara, rver Figura 3.1J. l J MOQMto permonenft ( 011_50/0.11 •• /101 i I I I I I I I --1--- I I I I I I I 1 I I I I I I I I ~i ~- /vN-------- AluG para ,o"lworovao ItIH. 3.1 Vista Geral do Cnnhao de Eletrons
  3. 3. o aquecimento por feixe de eletrons e base ado na emissao termoionica, isto e, a superfrcie do catodo emite eletrons que se movem para 0 anodo. 0 sistema de alimenta~ao do filamento do catodo possui corrente maxima de 30A AC e potencia de catodo e do anodo foram da ordem de 27,5 mm e 12,5 mm, respectivamente [8]. Como 0 anodo tern uma abertura para passagem do feixe,ha uma distor~ao no campo na regiao proxima ao anodo. ConseqUentemente, esse campo possui urn componen- te E r dirigido para 0 eixo do feixe, atuando como uma for~a desfocalizadora, agindo como uma lente divergente sobre 0 feixe. o angula de divergencia do feixe, apos sua passagem pela abertura do anodo, pode ser calculado de (1), ou seja o sistema de bombardeio de eletrons possui uma sarda de 30 kV. 0 potencial do anodo, positivo em rela~ao ao do catodo e de 25 kV com corrente do feixe de ~ 1,2 A. 0 feixe assim gerado bornbardeia a superfrcie do metal que se aquece devido a transforma~ao da energia cinetica dos eletrons em calor, conforme discutido na se~ao 2. 3.1. Suporte Tecnologico o desenvolvimento do canhao de eletrons do presente trabalho esta sendo realizado pela Divisao de Suporte Tecnologico do IEAv, onde se dispoe de tecnicos especializados capazes de manter a exata concentricidade, paralelismo e perpendi- cularismo da pe~a, quer seja em urn processo de usinagem, soldagem, brasagem au tratamento superficial, garantindo a harmonia da pe~a em rela~ao ao conjunto todo do canhao. Quanto ao uso de soldas especiais~ foi desenvolvida, pela Divisao de Fisica Experimental do IEAv, a solda metal-ceramica (6). Consiste basicamente de se usar o metal em contato com a ceramica com uma interface de Cusil (cobre-prata). Para que a soldagern ocorra ha necessidade do uso do hidreto de titanio, alto vacuo e temperaturas maiores que 5000 C. Quanto ao catodo, foi projetado e construido pela Divisao de Suporte Tecnolagico, urn dispositive mecanico capaz de obter catodos em forma espiralada [7]. Esse catodo devera ter 5,5 espiras, ser plano, corn passo da helice de 1,1 mm e diarnetro externo maximo de 11,8 rom. 0 tungstenio utilizado e de 99,95% de pureza, e diametro de 0,5 mm. Seu sistema de alirnenta~ao devera ter uma corrente maxima de 30A AC e potencia de 300 W. Pea perveancia "'0,19 1O-6A/1l3/2; r 0 = raia do feixe ~ raio do catodo ~ 5 rom; e d = distancia anodo-catodo 'V 22 mm. Perranto, 0 angulo de expansao do feixe e ~O ~4,8 0. Considerando-se os raios do catodo e do anodo, 0 angulo de divergencia do feixe ~O' 0 angulo e, 0 comprimento da regiao posterior ao anodo, que segundo 0 projeto e de 49 rom, pode-se determinar 0 diametro do feixe na boca (saida) do canhao (2) que e de 2,5 rom, urnvalor subestimado. Existe urn problema com este tipo de analise, como mencionado acima, devido justamente a abertura finita do anodo que causa outros problemas ao feixe, que nao padem ser consideradas no modele de Pierce. Devido a aber'tura finita do anodo, 0 campo eletrico na regiao do catodo nao e uniforme sendo maior nas 'bordas do catodo do que no centro [2]. Dessa forma, os e]etrons que passam praximos a bordo do anodo terao suas trajetarias mals curvas do que outros eletrons mais cerrtrais. Tais efeitos nao padem ser levados en conta com este modelo de Pierce e torna-se necessarto resolver numericamente 0 problema para obter urnperfil mais exato do Fai utilizado 0 modelo de Pierce de urn feixe conico esferico, que se baseia num fluxo limitado de eletrons entre os eletrodos de urn diodo formado por duas esf?ras concentricas, sendo 0 catodo 0 eletrodo esferico rnais externo. Este modele leva em conta efeitos da carga espacial e da abertura do anodo (apenas em parte) e perrnite uma compreensao tea rica do processo, que serve de base para uma analise simplificada do sistema fisico, mas nao fornece bons resultados numericos. Segundo este modelo, devido as cargas espaciais que limitam a corrente do feixe, ha uma microperveancia maxima em fun~ao do semi-angulo e e de abertura do feixe (1). Tomando esta microperveancia maxima igual a 0,19]l A/V 3/2foi possIvel 5. t. Simula~ao numerica do Canhao Eletrastatico Na simula~ao numerica do comportamento do feixe foi utilizado 0 programa t)l.ACpara a optica eletronica (9). Este e urn programa escrito para calcular a trnjetoria de eletrons em campos eletricos e magneticos estaticos. A equa~ao de I'ol.ooone resolvida por diferencas finitas usando condi~oes de contorno definidas
  4. 4. especificando-se a forma e posi~ao dos eletrodos para 0 problema especifico. Os campos eletricos sac calculados diferenciando 0 potencial eletrico. As equa,oes da trajetoria dos eletrons sao relativl.aticase levam err:.conta os campos eletricos e magneticos existentes. As forcas de cargas espaciais saD consideradas atrav~s da deposiCao apropriada de carga, em urncicIo, seguida de uma nova solucao da equacao de Poisson vindo a seguir 'novo cicIo de caiculo das trajetorias dos eletrons e assim por diante ate que as itera~oes convirjarnpara uma solu~ao do vroblema em que as trajetorias e as cargas espaciais estejam suficientemente consistentes. Na simulacao do feixe supae-se que os eietrons sejam emitidos do catodo segundo & lei de Child (2), para geometria esferica baseada na geometria de Pierce. Os parametros utilizados na simuJ.acaon·"lInericaBo feixe foram 05 seguintes zero voltas, que simula razoavelmente bem 0 catodo espiralado do projeto [Figura 3.1]; Eletrodo de focaliza~ao a zero volts, 'cornform,;.semelhante a do projeto e apresentado na Figura 5.1; e Anodo a 30 kV com uma forma apresentada na Figura 5.1. Como resultados da simula,ao foram obtidas as Figuras 5.1, 5.2, 5.3 e 5.4 que mostram 0 formato dos eletrodos, al~umas equipotenciais, a trajetoria do fe.lxe,0 pertil radial da dens,idade de corrente no feixe (nnrmalizado em relacao ao valor maxllmo)e efeitos de borda junto ao anodo. Obteve-se uma corrente de 1,01 A e uma microperveancia de 0,197, resultados proximos ao deeejado. Na Figura 5.1 tern-se0 formato e a disposicao do catodo, anodo e eletrodo de focalizacao que foram utilizados para realizar a simula~ao numerica t;om0 programa SLAG. Observe-se 0 efeito desfocalizador nos campos eletricos correspondentes us Iinhas equipotenciais proximas a abertura do anodo. Na Figura 5.2 encontra-se 0 feixe de eletrons (ua simulacao foram uti11~odon 50 raios) que vai do catodo ao anodo e E: impedido de expandir-se rapidElIllnt' devido aos eletrodos do canhao. Note-se que 0 diametro do feixe e razoavcJIIl1l1( constante ao longo do eixo-z, notando-se uma pequena compressao radiu I 111 •• .1 proximidades do anodo e uma, tambem pequena, expansao do feixe apos pasHn Jll Iii abertura do anodo. Sendo assim, e razoavel supor que 0 menor diametro d Inl f que e urnparametro caracterlstico do feixe de eletrons, seja por OXClllplo' It diametro do feixe na boca do canhao. boca do cannao, valor hem maior do que 0 obtido na analise simpl1f I'(ltllI (Ill "" anterior. o W 1III '"III '"N .•..• .•..• III rl .•..• III U U s:: o <IJ 4-1 .jJ o <IJ 0. 'd ....• ::l o tJ' 'd <IJ o H '".jJ Q) <IJ .•..• rl U <IJ ••..• 4-1 rl o H III 'd <IJ .jJ 0. s:: '" - ::l 0 III '" N 'd.•..• III '" H '"III 0 III O'd'cH 'd .jJ o <IJ .jJ '" 0 CO (tj leu u.,;,c", s:: o ....• 'd 0 rl 'd o '"s:: .,; III <IJ rl 'd "'III Q) U 0 'd ....• leu c: .4J ...-f 0 H 0' 0. <IJ Q) '" > H Q) H H o U III "III H 0' o H 0. ~ 0 '" 'd '" o '"II ..-f 0 ::l II1l N U >
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  6. 6. Na Figura 5,4 nota-se que na regiao de R maior do que 4 mm 0 feixe torna-se trans laminar devido a maiar interacao dos feixes mais externos com as bordas do anodo. salda da lente magnetica, Figura 5.5 e da distribuicao radial da densidade de corrente, Figura 5.6 [11]. 5.2. Simulacao numerica das lentes magneticas As lentes magneticas SaD utilizadas'para transportar e focalizar 0 feixe de sa!cia do canhao eletrostatico ate~a regiao oude 0 feixe sera curvado para incidir sobre 0 metal obliquamente. A lente magnetica utilizada neste projeto [Figura 3,1] e constituldo duma bobina cercada de material ferromagnetico com uma abertura neste material a fim de que possa haver compressao do campo de inducao magnetica na regiao do eixo da bobina por oude passa 0 feixe eletronico. A inducao magnetica e proporcional a excitacao NIL onde N e 0 numero de espiras e 1 1 e a corrente na bobina. A fim de determinar 0 comportamento do feixe, ao passar pela lente magnetica, foi utilizado 0 mesmo programa computaciorial 8LM; (9) descrito anteriormente. Para utiliza-lo, na simulfi~ao do feixe nesta situa~ao, e necessario 5.3. Analise do prisma ma&netico o feixe de.eletrons cria ao longo de seu caminho, ao chocar-se com atomos de impureza, Ions positivos que tendem a se mover na dire~ao oposta ados eletrons (2). Estes ions, alem de contribuirem para diminuicao da intensidade do feixe, podem, ao penetrar na regiao do campo eletrostatico, causar grandes danos a superf!cie do catodo. A regiao mais provavel para criacao destes Ions e justamente a camara de fusao de metais, pois esta e a regiao onde surgem os maiores problemas para se manter 0 vacuo. A fim de eviuar tal contaminacao do vacuo, nq regiao das lentes magneticas e do canhao eletrostatico, e usual que 0 feixe transportado iucida, na amostra do metal, fazendo urn certo angulo com a normal. Neste projeto, 0 angulo e da ordem de 30 0 [Figura 3.1]. Tal desvio do feixe e causado por meio de urn prisma magnetico. .a posicao , do vetor do centro da lente, seu diametro, indu~ao magnetica no eixo, a meia maximo do gaussiana Neste projeto tem-se urn uma aproxima~ao do campo de par de bobinas para desvio na direcao-x. Usando-se indu~ao magnetica, de urn solenoide espesso de (perfil do campo) e 0 comprimento da regiao em que 0 feixe entra e depois sai. 0 programa supoe uma distribuicao gaussiana para 0 componente z do vetor inducao magnetica, no eixo, que corresponde a aproximacao duma lente magnetica com material ferromagnetico nao saturado (1). 0 material ferromagnetico neste projeto esta numa situacao nao saturada e portanto e razQavel tal aproxima~ao. Os parametros utilizados nesta nova simulacao foram os seguintes: a posicao do centro da len~e, em relacao a boca do canhao eletrostatieo, tornado como origem, e 161,1 mm [Figura 3.1]; o valor do componente z do vetor inducao magnetica foi da ordem de 200 G, valor obtido em funcao do·diametro da bobina, do comprimento da regiao de abertura do material ferromagnetico e da distancia focal suposta igu~l a 160 mm (7); comprimento finito, ao longo do eixo (12), pode-se determinar que sao necessarios da ordem de 600 A-voltas para urn desvao de 30° do feixe na direcao-x. Para urn aproximadamente 120 A-voltas. Este valor foi obtido usando-se a mesma aproxirna~ao anterior (8) para um pequeno desvio, na direcao-y, da ordem de 20 e 30• Estes prismas costumam provo car distorcoes no feixe. Neste projeto ha urn multiplo magnetico colocado antes do prisma [Figura 3.1J para permitir pequenos ajustes que visam a minimizar taisdistor~oes (2). mostrada apenas a simulacao correspondente a Bz melhores resultados ace rea da convergencia 193 G, pois foi a que apresentou do feixe no ponto correspondente a A finalidade do trabalho foi analisar as caracter{sticas do feixe gerado par 1110 cDnhao projetado e em fase de construcao no IEAv [Figura 3.1], para verificar ,wu 0 Illcsmo pode ser utilizado num processo de fusao de metais. liLlseados nos resultados apresentados na Figura 5. J verifica-se que 0 feixe ~,jI ('Om um diametro entre 9 a 10 mm na boca do canhao. Portanto, 0 feixe ao sair ,to «'11111100 apn.:senta as seguintes caracter:l.sticas: PoLen 1a - 30 kV, Oliillictro - 10 mm, 1I1111lldlldede potencia - 104 W/cm2. 1~"111i Iw.rametros permitem verifiear que este I"" "e f ILzados para fusao de metais (2). a meia largura da gaussiana e da ordem de 32,95 rom e foi tarnbem determinada em funcao dos mesmos parametros do item anterior; e a distancia entre 0 ponto em que 0 feixe entra, ao sair do canhao e 0 ponto onde 0 feixe sai, focalizado, da lente magnetica e de 323,1 mm [Figura 3.1]. Foram realizados outras tres simula~oes utilizando-se dos seguintes valor~s do campo de tnducao magnetica maxima, Bz = 193, 196 e 199 G, j£ que a formula para determina-lo [8] apresentava uma incerteza em cerca de 10%. Nesse trabalho sera
  7. 7. ,mm':1 ~ 1, it~::oJ.1 ••••••••••••••••••• 11;••. ",--'1',- ---~i-~ 0,0 0,0 20,0 60,0 100,0 i40p l80p 220,0 260P 300P (mml Figura 5.5 ; FocalizaC2o do feixe, por meio de uma lente magnetica Caso 193G. e focalizado pela lente magnetica tendo maximo de sua densidade de corrente deslocado da borda para 0 centro do feixe, 0 que e muito conveniente. Seu diametro tambem diminui para 2 mm, ja levando em conta 0 fato de que, ao sair da regL3.o da lente magnetica, 0 £eixe pas sara pelo prisrna e entrara na camara, ate incidir na amostra, senda que nestas duas regioes 0 feixe se expande. Apas esta expansao pode chegar a amostra, novamente com as caracteristicas que 0 feixe possuia ao sair do canhao. Ern slutese, em virtude destas constatacoes, pode-se concluir que 0 feixe analisado e adequado para ser utilizado na fusac de metais. I-A. Zhigarev - Electron Optics and Electron Beam Devices, Mir Publishers - Moscou - 1982. 2 - Siegfried Schiller, Ullrich Heisig and Siegfried Panzer Technology, John Wiley & Sons - USA - 1982. 3 - B. Linchevsty - "Methods of Metallurgical Experiment" - Mir Publishers 4 - Klemperer, 0.; University, 1971. 5 - Schumacher, B.W. penetration through matterll, E. Electron and Ion Beam Science and Technology. First International Conference, Toronto, Canada, 1964. New York: Wiley, 1965 pp 5-70. 6 - L.A.B. Tessarotto/Jiro Takahashi - DE~senvolvimento da Solda Ceramica-Metal - O~ Nota Tecnica do IEAv - Fev 1987. J - Antonio Jose Balloni e A.C. de Jesus Pa~s - "Fabrica~ao de Catodo para Canhao 0,4 de Eletrons do IEAv" - Mernorando Tecnico n. 002 - 12 Nov 87 - Divisao SUTEC. H - Albert Septier, Editor - "Focusing of Ch,arged Particles" ~, Acade.mic Press, 1,5 2p 2/> 3p 3,5 4P 4;- (mm) Perfil radial do feixe ao sair da lente magnet! ca - Caso 193G. A.C. de Jesus Paes, R.M.O. Galvao, A. Passaro e P. Boscolo - Analise de urn t:,lIlllno de Eletrons para Fusao de Metais - Nota Tecnica - IEAv. ,II W.Il. Ilcrrmannsfeldt - "Electron Traj ectory Program" - SLAC - Report 226, Nov 1'1/9. ,I ":.1''- '. Chngas - "Documenta~ao do Codigo SEOP" - IEAv(RI 009. I l~. lIill~lllld - Electrostatique et Magnetost".atique - Masson et aI, Editeurs - 1'/" I,; - 195 .

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