반사 망원경

Reflecting telescope
프랭클린 연구소에 전시된 24인치 컨버터블 뉴턴/카세그레인 반사 망원경

반사망원경(반사망원경이라고도 함)은 빛을 반사하여 이미지를 형성하는 단일 또는 여러 의 곡선거울을 조합하여 사용하는 망원경이다.반사망원경은 17세기에 아이작 뉴턴에 의해 당시 극심한 색수차로 고통받던 굴절망원경의 대안으로 발명되었다.반사 망원경은 다른 유형의 광학 수차를 발생시키지만, 매우 큰 지름의 목표를 가능하게 하는 설계이다.천문학 연구에 사용되는 거의 모든 주요 망원경은 반사경이다.반사 망원경은 여러 가지 디자인 변형이 있으며, 추가 광학 요소를 사용하여 이미지 품질을 개선하거나 이미지를 기계적으로 유리한 위치에 배치할 수 있습니다.반사 망원경은 거울을 사용하기 때문에, 그 디자인은 때때로 대각망원경이라고 불린다.

뉴턴 시대부터 1800년대까지, 거울 자체는 금속으로 만들어졌는데, 보통 금속으로 만들어졌어요.이러한 유형에는 뉴턴의 첫 번째 디자인과 심지어 19세기 가장 큰 망원경인 1.8미터 너비의 금속 거울이 있는 파슨스타운의 리바이어던이 포함되었다.19세기에는 매우 얇은 은으로 코팅된 유리 블록을 사용하는 새로운 방법이 세기가 바뀔 무렵에 더욱 대중화되기 시작했다.크로슬리와 하버드의 반사 망원경으로 이어진 일반적인 망원경은 금속 거울 디자인으로 인해 망원경을 반사하는 것에 대한 더 나은 평판을 확립하는데 도움을 주었다.주로 금속 거울이 반사된 건2/3의 빛과 금속은 변색될 것이다.여러 번의 광택과 변색 후에 거울은 필요한 정확한 형상을 잃을 수 있다.

반사 망원경은 천문학에서 엄청나게 인기를 끌었고 허블 우주 망원경과 같은 많은 유명한 망원경들이 이 디자인을 사용합니다.또한 반사망원경의 원리는 다른 전자파에도 적용되었으며, 예를 들어 X선망원경은 반사원리를 사용하여 상을 형성한다.

역사

뉴턴이 1672년 왕립학회에 제출한 두 번째 반사망원경 복제품
비르의 거대한 망원경, 파르손스타운의 리바이어던.거울과 지지 구조의 현대판 잔재.

구부러진 거울이 렌즈처럼 행동한다는 생각은 적어도 알하젠의 광학에 관한 11세기 논문으로 거슬러 올라갑니다. 광학은 초기 [1]현대 유럽에서 라틴어 번역으로 널리 보급되어 왔습니다.굴절망원경의 발명 직후, 갈릴레오, 조반니 프란체스코 사그레도, 그리고 다른 사람들은 구부러진 거울의 원리에 대한 그들의 지식에 자극받아 거울을 이미지 [2]형성 목적으로 사용하는 망원경을 만드는 것에 대한 아이디어를 논의했다.볼로냐의 체사레 카라바기가 1626년경에 그것을 만들었다는 보고가 있었고, 이탈리아의 교수 니콜로 애호박은 1616년에 오목한 청동거울을 실험했다고 썼지만 [2]만족스러운 이미지를 만들어내지 못했다고 말했다.주로 색수차가 없는 구면 수차를 감소시키는 포물선 거울의 잠재적 장점은 반사 [3]망원경을 위한 많은 설계로 이어졌다.가장 주목할 만한 사람은 제임스 그레고리인데, 그는 1663년에 '반사' 망원경을 위한 혁신적인 디자인을 발표했다.실험 과학자 로버트 후크가 그레고리 [4][5][6]망원경으로 알려지게 된 이런 종류의 망원경을 만들 수 있었던 것은 10년(1673년)

아이작 뉴턴은 일반적으로 1668년에 [7]최초의 반사 망원경을 만든 것으로 알려져 있다.그것은 뉴턴 망원경으로 알려지게 된 광학적 구성의 구형의 금속 1차 거울과 작은 대각선 거울을 사용했다.

반사경 설계의 이론적인 이점에도 불구하고, 시공의 어려움과 당시 사용되고 있던 금속 거울의 성능 저하로 인해 거울이 대중화되기까지 100년 이상이 걸렸다.반사 망원경의 발전 많은 19세기 20century,[10]분절된 거울들 안에(레옹 푸코에 의해 1858년에 지어진)[9]오래 지속되는 알루미늄 코팅그램을 보상하기 위해 더 큰 직경, 그리고 활동적인 광학에 오목 거울의 제조 18century,[8]은을 막론하고 코팅 유리 거울들 안에 완벽한 포함했다.avitation변형20세기 중반의 혁신은 슈미트 카메라와 같은 반사광 망원경으로 구면 거울과 렌즈(보정판이라고 함)를 모두 1차 광학 소자로 사용하며, 구면 수차가 없는 광시야 이미징에 주로 사용되었다.

20세기 후반에는 보는 것의 문제를 극복하기 위한 적응광학 행운이미징이 발달했고, 반사 망원경은 우주 망원경과 많은 종류의 우주선 이미징 장치 어디에나 있다.

기술적 고려 사항

커브드 프라이머리 미러는 초점 평면에서 이미지를 만드는 반사망원경의 기본 광학 소자입니다.거울에서 초점 평면까지의 거리를 초점 거리라고 합니다.여기에 필름 또는 디지털 센서를 배치하여 이미지를 기록하거나 보조 미러를 추가하여 광학 특성을 변경하거나 빛을 필름, 디지털 센서 또는 육안 관찰용 접안렌즈로 리다이렉트할 수 있다.

대부분의 현대 망원경의 1차 거울은 표면이 구형 또는 포물선 모양으로 연마된 단단한 유리 원통으로 구성되어 있습니다.알루미늄 얇은 층이 거울 위에 진공 퇴적되어 반사율이 높은 제1 표면 미러를 형성합니다.

어떤 망원경들은 다르게 만들어진 1차 거울을 사용한다.녹은 유리는 표면을 포물선으로 만들기 위해 회전하며, 냉각되고 굳어지는 동안 계속 회전합니다.('Roting fro' 참조).결과적으로 거울 모양은 필요한 [11]정확한 수치를 얻기 위해 최소한의 연삭과 연마로 필요한 포물선 모양에 근접합니다.

광학 에러

반사 망원경은 다른 광학 시스템과 마찬가지로 "완벽한" 이미지를 생성하지 않습니다.물체를 무한대까지 촬영하고, 다른 파장의 빛으로 볼 필요가 있으며, 주 거울이 만들어내는 이미지를 볼 수 있는 방법이 있어야 한다는 요구는 반사 망원경의 광학 설계에는 항상 어느 정도 타협이 있다는 것을 의미합니다.

회절 스파이크와 동심원 회절 고리를 보여주는 허블 우주 망원경Sirius A와 Sirius B의 이미지.

주 거울은 빛을 자체 반사 표면 앞에 있는 공통점에 집중시키기 때문에 거의 모든 반사 망원경 설계에는 보조 거울, 필름 홀더 또는 검출기가 있어 빛이 주 거울에 도달하는 것을 부분적으로 차단합니다.이는 시스템이 채광하는 빛의 양을 감소시킬 뿐만 아니라 장애물의 회절 효과 및 대부분의 2차 지지 [12][13]구조에 의해 발생하는 회절 스파이크로 인해 이미지의 대조를 이루는 손실을 일으킵니다.

거울을 사용하면 색수차를 피할 수 있지만 다른 유형의 수차를 발생시킵니다.단순한 구면 거울은 거울의 가장자리 근처에서 반사되는 빛의 반사가 거울의 중심에서 더 가까운 곳에서 반사되는 빛과 수렴되지 않기 때문에 멀리 있는 물체의 빛을 공통의 초점으로 가져올 수 없습니다. 구면 수차라고 불리는 결함입니다.이러한 문제를 피하기 위해 대부분의 반사 망원경은 포물선 모양의 거울을 사용합니다. 포물선 모양의 거울은 모든 빛을 공통의 초점에 집중시킬 수 있는 형태입니다.포물선 미러는 생성되는 이미지의 중심 부근의 물체(미러의 광축과 평행하게 이동하는 빛)와 잘 작동하지만 동일한 시야의 가장자리에서는 축 외 [14][15]수차에 시달립니다.

  • 혼수 – 이미지 중심에 있는 점 소스(별)가 한 점에 집중되지만 일반적으로 이미지 가장자리를 향해 더 심해지는 "코멧 같은" 방사상의 얼룩으로 나타나는 수차입니다.
  • 필드 곡률 – 최적의 이미지 평면은 일반적으로 곡선 형태이며, 검출기의 모양과 일치하지 않을 수 있으며 필드 전체에 포커스 오류가 발생할 수 있습니다.그것은 때때로 필드 평탄화 렌즈에 의해 보정된다.
  • 난시 – 조리개 주변의 초점 방위 변화로 인해 축을 벗어난 점 소스 이미지가 타원형으로 나타납니다.난시는 좁은 시야에서는 보통 문제가 되지 않지만 넓은 시야 이미지에서는 급격히 악화되어 시야 각도에 따라 2차적으로 변화합니다.
  • 일그러짐 – 일그러짐은 화질(선명도)에는 영향을 주지 않지만 오브젝트 모양에는 영향을 미칩니다.이미지 처리에 의해 수정되는 경우가 있습니다.

수정된 거울 표면(리체이-크레티엔 망원경 등) 또는 이러한 수차의 일부를 보정하는 수정 렌즈(카타디옵티컬 망원경 등)를 사용하는 반사 망원경 설계가 있다.

천문 연구에 사용

2016년 5월 고다드 우주 비행 센터에 조립된 제임스 우주 망원경의 메인 미러.

거의 모든 대형 연구용 천체 망원경은 반사경이다.여기에는 몇 가지 이유가 있습니다.

  • 반사기는 굴절기반사광 망원경에서 볼 수 있는 것과 같은 유리 요소를 통과할 때 특정 파장이 흡수되기 때문에 더 넓은 빛의 스펙트럼에서 작동합니다.
  • 렌즈에서는 재료의 전체 부피가 불완전성과 불균일성이 없어야 하는 반면, 거울에서는 한 표면만 완벽하게 연마되어야 합니다.
  • 다른 파장의 빛은 진공 이외의 매체를 통해 다른 속도로 이동한다.로 인해 색수차가 발생합니다.이를 허용 가능한 수준으로 줄이려면 보통 2개 또는 3개의 조리개 크기의 렌즈를 조합해야 합니다(자세한 내용은 무채색아포크로마토 참조).따라서 이러한 시스템의 비용은 조리개 크기에 따라 크게 확장됩니다.거울로부터 얻을 수 있는 화상은, 우선 색수차를 일으키지 않고, 그 크기에 따라 훨씬 적은 비용으로 확대한다.
  • 대형 렌즈의 제조와 조작에는 구조적인 문제가 있습니다.렌즈는 가장자리에만 고정할 수 있기 때문에 큰 렌즈의 중심이 중력에 의해 처져 화상을 왜곡합니다.굴절 망원경에서 가장 큰 실용 렌즈 크기는 약 [16]1미터입니다.반면 거울은 반사면 반대편 전체에 받쳐져 중력 처짐을 극복할 수 있는 망원경 디자인을 반사할 수 있다.가장 큰 반사경 설계는 현재 직경이 10미터가 넘는다.

망원경 설계 반영

그레고리오

그레고리 망원경의 광로.

스코틀랜드의 천문학자이자 수학자인 제임스 그레고리(James Gregory)가 1663년 책 옵티카 프로모타(Optica Promissa)에서 설명한 그레고리 망원경은 주 거울의 구멍을 통해 이미지를 반사하는 오목한 보조 거울을 사용한다.이렇게 하면 수직 이미지가 생성되어 지상 관측에 유용합니다.일부 작은 스폿 스코프는 여전히 이러한 방식으로 제작됩니다.바티칸 첨단기술망원경, 마젤란망원경, 대형 쌍안경, 거대 마젤란망원경 등 그레고리오식 구성을 사용하는 몇몇 대형 현대 망원경이 있다.

뉴턴의

뉴턴 망원경의 광로.

뉴턴 망원경아이작 뉴턴이 1668년에 완성한 최초의 성공적인 반사 망원경이었다.이것은 보통 포물면 1차 미러를 가지고 있지만, 약 f/10 또는 그 이상의 초점비에서는 구형 1차 미러로 높은 시각적 분해능에 충분할 수 있습니다.평면 보조 거울은 망원경 튜브의 꼭대기 측면에 있는 초점 평면으로 빛을 반사합니다.이것은 주어진 크기의 기본 디자인 중 가장 단순하고 저렴한 디자인 중 하나이며, 아마추어 망원경 제작자들에게 주택 건설 프로젝트로 인기가 있습니다.

Cassegrain의 디자인과 그 변형

카세그레인 망원경의 광로입니다.

카세그레인 망원경 ('고전 카세그레인'이라고도 함)은 로랑 카세그랭에 의해 1672년에 처음 출판되었다.포물선 모양의 일차 거울과 빛을 반사하는 쌍곡선 이차 거울이 있습니다.보조 거울의 접힘과 발산 효과는 초점 거리가 길고 튜브 길이가 짧은 망원경을 만듭니다.

리체이-크레티엔

1910년대 초 조지 윌리스 리체이와 앙리 크레티엥의해 발명된 리체이-크레티엔 망원경은 (포물선 모양의 1차 거울 대신) 두 개의 쌍곡선을 가진 특수 카세그레인 반사경이다.1차 곡률과 2차 곡률을 적절히 파악하면 거의 평탄한 초점 평면에서 혼수와 구면 수차가 없어 광시야 및 사진 [17]관측에 매우 적합합니다.세계의 거의 모든 전문 반사 망원경은 리체이-크레티엔 설계이다.

삼거울 문합

세 번째 커브 미러를 포함하면 Ritchey-Chrétien 설계에서 남은 왜곡, 난시 수정이 가능합니다.이를 통해 훨씬 더 넓은 시야를 확보할 수 있습니다.

달-커햄

달-커캄 카세그레인 망원경의 디자인은 1928년 호레이스 달(Horace Dall)에 의해 만들어졌으며 아마추어 천문학자 앨런 커캄과 앨버트 G의 토론에 따라 1930년 사이언티픽 아메리칸지에 실린 기사에서 그 이름을 따왔다.당시 잡지 편집자였던 잉걸스입니다그것은 오목한 타원형의 1차 거울과 볼록한 구형 2차 거울을 사용한다.이 시스템은 전형적인 카세그레인 또는 리체이-크레티엔 시스템보다 연마하기가 쉽지만 축외 혼수에는 보정되지 않습니다.필드 곡률은 실제로 기존의 카세그레인보다 작습니다.이것은 더 초점비에서는 덜 눈에 띄기 때문에 Dall-Kirkhams는 f/15보다 거의 빠르지 않습니다.

축외 설계

세컨더리를 제거하거나 프라이머리 미러의 광축에서 세컨더리 소자를 이동시킴으로써 입사광을 차단하지 않도록 하는 설계(일반적으로 오프축 광학계)가 몇 가지 있습니다.

헤르슐리안

라이트 패스
헤르슐리안 망원경
쉬프슈피글러 망원경

허슐리안 반사경은 1789년 40피트 망원경을 포함한 매우 큰 망원경을 만들기 위해 이 디자인을 사용한 윌리엄 허셜의 이름을 따왔다.헤르슐리안 반사경에서는 주 거울이 기울어져 있어 관찰자의 머리가 들어오는 빛을 차단하지 않습니다.이것은 기하학적 수차를 초래하지만, 허셜은 뉴턴식 보조 거울의 사용을 피하기 위해 이 설계를 채택했다. 왜냐하면 그 당시의 금속 거울은 빠르게 변색되었고 반사율은 60%[18]밖에 달성하지 못했기 때문이다.

쉬프슈피글러

카세그랭의 변형인 Schiefspiegler 망원경("스큐어" 또는 "사각 반사경")은 기울어진 거울을 사용하여 2차 거울이 1차 거울에 그림자를 드리우는 것을 방지합니다.그러나 회절 패턴을 제거하는 동안 혼수상태와 난시가 증가한다.이러한 결점들은 큰 초점 비율에서 다루어질 수 있게 됩니다.- 대부분의 Schiefspieglers는 f/15 이상을 사용합니다.이것은 달과 행성에 대한 유용한 관찰을 제한하는 경향이 있습니다.다양한 유형의 미러 수가 있는 등 여러 가지 변형이 일반적입니다.커터(발명자 Anton Kutter의 이름을 딴) 스타일은 필요에 따라 보조 미러와 초점 평면 사이에 하나의 오목한 1차, 볼록한 2차 및 평면 볼록 렌즈를 사용합니다(이것은 카타디옵트릭 쉬프피글러의 경우).멀티셰프스피글러의 한 변종은 오목한 1차, 볼록한 2차 및 포물선 3차를 사용한다.일부 Schiefspieglers의 흥미로운 측면 중 하나는 거울 중 하나가 광로에 두 번 관여할 수 있다는 것입니다. 각 광 경로는 서로 다른 자오선을 따라 반사됩니다.

스테빅 폴

Stevick-Paul 망원경은[19] 평면 대각선 거울이 추가된 Paul 3-mirror[20] 시스템의 축 외 버전입니다.망원경에 입사하는 빛의 바로 옆에 볼록한 2차 미러를 배치하고, 3차 미러에 평행한 빛을 투과하도록 안쪽에 위치시킨다.오목형 3차 미러는 볼록형 2차 미러보다 정확히 입사 빔의 2배 정도 더 멀리 위치하고 있으며, 2차 미러와 곡률 반경은 멀리 떨어져 있다.3차 미러는 2차로부터 평행광선을 받기 때문에 초점에서 상을 형성한다.초점면은 거울 시스템 내에 있지만 평평한 대각선을 포함하여 눈으로 접근할 수 있습니다.Stevick-Paul 구성에서는 완만하게 굽은 Petzval 표면을 제외하고 모든 광학 수차가 0에서 3차까지 발생합니다.

인생은 한 번뿐이다.

욜로는 1960년대 [21]중반에 Arthur S. Leonard에 의해 개발되었다.Schiefspiegler처럼, 그것은 방해받지 않고 기울어진 반사 망원경이다.원래 Yolo는 곡률이 동일하고 주축에 대한 기울기가 동일한 1차 및 2차 오목 미러로 구성됩니다.대부분의 욜로는 트로이덜 리플렉터를 사용한다.Yolo 디자인은 혼수 상태를 제거하지만 상당한 난시를 남깁니다. 이는 어떤 형태의 뒤틀림 하니스에 의한 보조 미러의 변형이나 트로이덜 형상을 보조 미러에 연마함으로써 감소됩니다.Schiefspieglers처럼, 많은 욜로 변주곡들이 추구되어 왔다.필요한 트로이덜 형상의 전체 또는 일부를 프라이머리 미러에 전달할 수 있습니다.큰 초점비 광학 어셈블리에서 1차 미러와 2차 미러를 모두 구형으로 해, 2차 미러와 초점면(카타디옵트릭 욜로) 사이에 안경 보정 렌즈를 추가한다.볼록하고 긴 초점 3차 거울의 추가는 Leonard의 Solano 구성으로 이어집니다.솔라노 망원경에는 토릭 표면이 없어요

액체 거울 망원경

망원경의 한 디자인은 일정한 속도로 회전하는 쟁반에 액체 금속으로 구성된 회전 거울을 사용한다.트레이가 회전함에 따라 액체는 기본적으로 무한 크기의 포물면 표면을 형성한다.이것은 매우 큰 망원경 거울(6미터 이상)을 만들 수 있지만, 불행히도 그것들은 항상 수직으로 향하기 때문에 조종할 수 없다.

초점 평면

초점

초점 망원경 디자인.관찰자/카메라는 초점에 있습니다(빨간색 X로 표시됨).

프라이머리 포커스 설계에서는 2차 광학을 사용하지 않고 프라이머리 미러의 초점에서 화상에 액세스합니다.초점에는 필름 플레이트 또는 전자검출기를 유지하기 위한 어떤 종류의 구조가 있다.과거에는 매우 큰 망원경에서 관찰자는 영상을 직접 보거나 카메라를 [22]조작하기 위해 "관측 케이지"에 있는 망원경 안에 앉아 있었다.오늘날 CCD 카메라는 세계 거의 모든 곳에서 망원경을 원격 조작할 수 있게 해준다.초점에서의 공간은 들어오는 빛을 [23]차단하지 않도록 해야 하기 때문에 크게 제한됩니다.

전파망원경은 종종 초점설계를 주로 한다.거울은 전파를 반사하기 위한 금속 표면으로 대체되며, 옵서버는 안테나입니다.

카세그랭 초점

카세그레인 설계

카세그레인 설계 또는 기타 관련 설계에 따라 제작된 망원경의 경우 이미지는 보조 거울의 초점에서 기본 거울 뒤에 형성됩니다.관찰자는 망원경의 후면을 통해 보거나 후면에 카메라나 다른 기구를 장착한다.카세그레인 포커스는 아마추어 망원경이나 작은 연구용 망원경에 흔히 사용된다.그러나 그에 상응하는 큰 기구를 가진 대형 망원경의 경우, Cassegrain의 초점에 있는 기기는 회전할 때 망원경과 함께 이동해야 한다. 이는 기기 지지 구조의 강도에 대한 추가 요건을 설정하며, 벽이나 e와 같은 장애물과의 충돌을 피하기 위해 망원경의 이동을 잠재적으로 제한한다.천문대 안쪽에 있는 분량.

Nasmyth 및 coudé 초점

Nasmyth/coudé 광로.

나스미스

Nasmyth 디자인은 빛이 1차 거울의 구멍을 통해 전달되지 않는다는 점을 제외하면 Casegrain과 유사합니다. 대신, 3차 거울은 빛을 망원경의 측면으로 반사하여 무거운 기구를 장착할 수 있도록 합니다.이것은 큰 연구용 [24]망원경에서 매우 흔한 디자인이다.

쿠데

Nasmyth 스타일의 망원경에 광학을 추가하여 (보통 적위축을 통해) 망원경의 방향을 바꿀 때 움직이지 않는 고정된 초점에 빛을 전달하면 (프랑스어로 [25]엘보우라는 뜻에서) coudé 포커스를 얻을 수 있습니다.쿠데 포커스는 Nasmyth[25] 포커스보다 시야가 좁으며 넓은 시야를 필요로 하지 않는 매우 무거운 계측기에 사용됩니다.그러한 적용 중 하나는 대형 콜리메이션 미러(이상적으로 망원경의 기본 미러와 같은 직경의)와 매우 긴 초점 거리를 가진 고해상도 분광기이다.그러한 계측기는 이동하는 것을 견딜 수 없었고, 광로에 거울을 추가하여 쿠데 트레인을 형성하는 것이 유일한 선택이었고, 빛을 관측 플로어 또는 아래에 수용된 계측기로 변환하는 것(그리고 일반적으로 천문대 건물의 움직이지 않는 일체형 부품으로 건설됨)이 유일한 옵션이었다.60인치 헤일 망원경 (1.5m), 후커 망원경, 200인치 헤일 망원경, 쉐인 망원경, 할란 J. 스미스 망원경은 모두 쿠데포시 기기로 만들어졌다.에셸 분광계의 개발로 훨씬 더 콤팩트한 기기로 고해상도 분광학이 가능해졌고, 때로는 카세그레인 초점에 성공적으로 장착될 수 있었다.1980년대에 저렴하고 적절하게 안정적인 컴퓨터 제어 알트아즈 망원경 마운트가 개발된 이후, 나스미스 설계는 일반적으로 대형 망원경의 쿠데 초점을 대체했다.

파이버 공급 분광기

안정성이 매우 높거나 매우 크고 거추장스러운 계측기의 경우, 망원경으로 계측기를 움직이는 것보다 단단한 구조 위에 설치하는 것이 바람직합니다.전체 시야를 전송하려면 표준 쿠데 초점이 필요하지만, 분광학에서는 일반적으로 별이나 은하와 같은 소수의 개별 물체만 측정해야 한다.따라서 망원경에 있는 광섬유로 이러한 물체로부터 빛을 모을 수 있으며, 망원경으로부터 임의의 거리에 기기를 배치할 수 있습니다.광섬유 공급 분광기의 예로는 행성을 찾는 분광기 HARPS[26] 또는 [27]에스프레소 등이 있습니다.

또한 광섬유의 유연성으로 인해 HARPS 분광기는 ESO 3.6m [26]망원경의 카세그레인 초점을 사용하는 반면, Prime Focus Spectrograph는 스바루 [28]망원경의 주요 초점에 연결됩니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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