Wie wir die größte Tesla-Spule in Russland hergestellt haben

Historischer Hintergrund

Das 19. Jahrhundert war eine Art Ära des wilden Westens in der experimentellen Physik des Elektromagnetismus. Robert Van de Graaff, Lord Kelvin, Nikola Tesla und viele andere Wissenschaftler, Forscher und Ingenieure entdeckten immer mehr neue Phänomene und skalierten ihre Installationen auf enorme Größen. Einige ihrer Kreationen funktionieren noch - zum Beispiel der sechs Meter große Van de Graaff-Generator im Boston Museum of Science , und einige, wie der bekannte Wordencliff Tower, wurden nie geboren.



Im Laufe der Zeit und der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie verlagerte sich die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler in andere Richtungen, aber einzelne Enthusiasten sammelten, studierten und verbesserten weiterhin die klassischen Entwicklungen auf dem Gebiet der Hochspannungen, der Elektrostatik und der Plasmaphysik - jemand aufgrund eines unstillbaren Glaubens an Äthertheorie und freie Energie, der Etwas aus Neugier oder zur Lösung hochspezialisierter angewandter Probleme, jemand einfach, weil es ihm geliefert hat.

Vor kurzem, seit etwa Ende der 90er Jahre, erlebt dieser Ingenieurzweig eine Renaissance im Zusammenhang mit dem Interesse des Showbusiness und der Unterhaltungsindustrie, die Aufmerksamkeit auf die Kategorien der Tesla-Spulen zu lenken , die im letzten Jahrzehnt nach der Erfindung von DRSSTC , die derzeit die meisten darstellt, verstärkt wurden technisch perfekte Form der Tesla-Spule, bei der Leistungstransistoren anstelle der klassischen Funkenstrecke verwendet werden, mit der Sie die Frequenz der Entladung während mehrerer Schwingungsperioden schnell ändern können ( BPS ) und spielen daher Musik direkt mit Hilfe eines aufkommenden Blitzes. Ein Beispiel ist das bekannte OneTesla-Produktionsmodell, das mit all den von den Autoren vorgeschlagenen schlecht konzipierten Konstruktoren mit einer bestimmten Handanwendung recht funktionell ist.

Derzeit werden Teslas Transformatoren und verwandte Geräte (Jacob's Treppen, Marx- und Cockroft-Walton-Generatoren, Plasmasäulen, Van de Graaff-Generatoren usw.) in verschiedenen Größen und Brillen in einer Reihe von um sie herum organisierten Showprojekten fortlaufend verwendet USA (Arc Attack), Russland (TeslaFX), Großbritannien (Lords of Lightning), China (leider nicht ausgebildete Hieroglyphen) und andere Länder leuchten regelmäßig im Showbusiness (Spezialeffekte in Harry Potter, dem Zauberlehrling, Metallica-Konzerte usw.). ) und sind auch als Exponat vorhanden Jede Selbstachtung Wissenschaftsmuseum.

Größe ist wichtig

Kurz gesagt, irgendwann entschied eine Gruppe von Amateuringenieuren, die lange und fest in kollektiven Tesstroeniya verstrickt waren, dass sie sich bereits gelangweilt hatten, im Sandkasten zu spielen, kleine Indoor- (und sogar mittelgroße Outdoor-) Spulen herzustellen, und beschlossen, etwas Besonderes zu tun. Zu diesem Zeitpunkt hatten wir (wie es uns schien) bereits genügend Erfahrung in der Entwicklung von Tesla-Spulen mit verschiedenen Topologien, und das verfügbare mathematische Modell ermöglichte eine mehrmalige Skalierung des typischen Entwurfs. Tatsächlich waren die einzigen deutlich erkennbaren Einschränkungen die Größe des verfügbaren Raums, die Leistung der Steckdose und die Finanzen (obwohl, was da ist, letztendlich alles auf die Finanzen hinausläuft). Nachdem das Budget, die Arbeitsstunden und andere langweilige Kleinigkeiten geschätzt worden waren, wurde beschlossen, die Installation auf etwa drei Meter Höhe mit einer geschätzten Leistung von etwa 30 bis 40 kW zu beschränken. Für Fachleute:





Die Technologie wurde natürlich speziell von DRSSTC ausgewählt, da mit dem richtigen Ansatz und der Abwesenheit von Fehlern die Kosten (sowie das Gewicht und die Abmessungen) viel niedriger sind als bei anderen Optionen (Funkenstrecke oder Funkröhre) mit denselben Endparametern. Nun, und natürlich können Sie Musik darauf spielen.

Modulares Prinzip

Bei der anfänglichen Konstruktion einer ausreichend großen Tesla-Spule kann das Projekt in mehrere Module unterteilt werden (Primärwicklung, Sekundärwicklung, Toroid, Gehäuse, Wechselrichter, Treiber, Bedienfeld, Hilfselektrik usw.), die jeweils separat erfunden und hergestellt werden. Danach kommen sie zusammen, werden nacheinander optimiert und debuggt, und als Ergebnis explodieren sie und beginnen, Blitze auszusenden. Normalerweise werden die meisten Tesla-Transformatoren von Anfang bis Ende von Enthusiasten zusammengebaut, aber erstens hatten wir bereits ein mehr oder weniger gut koordiniertes Team mit einer Verteilung von Funktionen (Projektmanager, Designer, Entwickler (auch bekannt als Tester) und mehrere Personen am Haken - ein Installateur, ein Schlosser usw.), und zweitens war die Aufgabe selbst ziemlich ehrgeizig, und ich wollte es ohne unnötige Kosten tun, aber gleichzeitig mehr oder weniger qualitativ, so viel wie möglich für einen Prototyp und ein einzigartiges Design. Daher konnte jeder sein eigenes Ding machen und gleichzeitig kommunizieren, um die Module miteinander zu synchronisieren. Als Projektmanager kann ich über jedes Modul einzeln sprechen und auch zeigen, was am Ende passiert ist.

Vorbereitung und Materialhandhabung

Nach Diskussion, Reflexion und verschiedenen Redewendungen zum Thema wurde das allgemeine Konzept durch eine kollektive Entscheidung gebilligt und ich stellte eine primitive Skizze in 3ds max dar. Die Skizze wurde benötigt, um den Umfang der Aufgabe zu verstehen, die grundlegenden gegenseitigen Proportionen der Module zu verstehen, als Ausgangspunkt für das Design und um die Moral des Teams zu verbessern. Basierend auf der Skizze stellte der Designer das Projekt in Creo Elements (damals noch Pro / Engineer) zusammen und beobachtete bereits bestimmte Größen, Möglichkeiten, Teile miteinander zu verbinden, und andere Nuancen. Nach den Ergebnissen dieses Projekts wurden Zeichnungen erstellt: Gehäuseteile, Primärwicklungsbasis, Toroid, Box für Automatisierung und Elektrik sowie ein Block von Primärkreiskondensatoren ( MMC ).









Als Strukturmaterialien verwendeten wir 18 mm dickes Glasfaserglas, das durch Wasserstrahlschneiden verarbeitet wurde (aufgrund seiner hohen strukturellen und thermischen Stabilität erwiesen sich andere Verarbeitungsmethoden als unrentabel), dickes Sperrholz für die Karosserie und einen Aluminium-Kunststoff-Verbundwerkstoff für die Automatisierungseinheit (zur Abschirmung von einer leistungsstarken Spule) vor elektromagnetischen Störungen, die die eigenen Steuerkreise beeinträchtigen) sowie Polycarbonat an mehreren Stellen. Sperrholz und Kunststoff wurden auf einer CNC-Fräsmaschine verarbeitet, die einem Fabriknachbarn gehörte, in der unser Team mit all dieser Unanständigkeit beschäftigt war. Mit Creo Elements können Sie sofort vorgefertigte Steuerungsprogramme für die CNC erstellen, was sehr hilfreich war. Wir haben einfach eine Maschine gemietet und bei Bedarf das getan, was wir brauchten.

Primär und Sekundär

Die Sekundärwicklung wurde auf einen klassischen Rahmen gewickelt - ein großes orangefarbenes PVC-Abwasserrohr (im Ernst, dies ist die beste der verfügbaren Optionen für Tesla-Spulen jeder Größe in Bezug auf Preis, Verfügbarkeit und Eignung). Der emaillierte Draht (Durchmesser 1,06 mm), der in einer Schicht rund um rund gewickelt und dann mit Epoxidharz beschichtet wurde, verwandelte das Rohr in einen riesigen Induktor und freute sich auf seinen Moment des Ruhms - die Sekundärseite der riesigen Tesla-Spule. Die Gesamtabmessungen des Rohrs betrugen 310 x 1800 mm.







Die Primärwicklung - ebenfalls ein Klassiker - haben wir ein Kupferrohr für Klimaanlagen mit einem Durchmesser von 22 mm (7/8 Zoll) gewickelt. Die Spulen lagen sauber in den in Glasfaser geschnittenen Rillen mit einem Wasserstrahl mit einem Schleifmittel unter einem Druck von Tausenden von Atmosphären, und jetzt wurden zwei Module, ein primäres und ein sekundäres - das Skelett jeder Tesla-Spule - miteinander verbunden. Das Projekt nahm allmählich Form und Farbe an.

Toroid

Mit einem Toroid, einem notwendigen Element jeder leistungsstarken Tesla-Spule, stellte sich jedoch heraus, dass alles komplizierter war. Ursprünglich war auch geplant, einer bewährten Straße zu folgen und Aluminiumwellen zur Belüftung zu verwenden. In der Praxis stellte sich heraus, dass dies eine äußerst einmalige Lösung ist - die Riffelung nimmt bei unachtsamen Bewegungen sofort zu und muss bei den geplanten Abmessungen bei jedem Transport des Geräts ersetzt werden.



Daher habe ich nach einiger Untersuchung des Problems die Idee gestohlen, auf eine interessante Option im Web gestoßen zu sein, und der Designer hat sie unter Berücksichtigung unserer Größenordnung modelliert und ein Projekt für die Montage herausgegeben. Tatsache ist, dass die Hauptanforderung für den Toroid der Tesla-Spule seine „Glätte“ in Bezug auf elektromagnetische Felder ist, da jegliche Verjüngung oder Unregelmäßigkeiten die Punkte der Koronaentladungsbildung darstellen, die einen Luftdurchschlag verursachen, bevor die maximale Leistung erreicht wird, und zusätzlich Nehmen Sie einen Teil der Nutzlänge des Reißverschlusses weg. Es gibt jedoch eine Einschränkung in Bezug auf die Tatsache, dass die Feldlinien des Feldes den Toroid mit Äquipotentialzonen zu umgeben scheinen, wodurch er aus Komponenten zusammengesetzt werden kann, die bei korrekter Zusammenstellung ein Feld bilden, das glatt genug ist, um das Funktionieren der Tesla-Spule zu verhindern entladen, wo es nicht notwendig ist.



Im Allgemeinen erwies sich das Ergebnis als sehr ungewöhnlich im Aussehen, relativ einfach herzustellen, zuverlässig im Betrieb und überraschend effektiv im Vergleich zu anderen bekannten Versionen dieses wichtigen Teils der Tesla-Spule. Der Durchmesser des Aluminiumrohrs beträgt 50 mm, und die Gesamtgröße des Ganzen, das wie ein UFO aussieht, beträgt etwa zwei Meter im Durchmesser. Kreise-Abstandshalter für Rohre wurden mit demselben CNC-Fräser aus Sperrholz geschnitten, und ich schweißte den Mittelrahmen aus einer Stahlecke.







Damit wurde grundsätzlich der Bauteil fertiggestellt.

Leistungsteil

In einem Wechselrichter für große Tesla-Spulen werden häufig IGBT-Module verwendet - dies sind schwarze (oder weiße) Bausteine ​​mit zwei bis drei (manchmal bis zu 10) Leistungsklemmen und mehreren Klemmen zur Steuerung, die normalerweise in Wechselrichtern verwendet werden - leistungsstarke Ladeeinheiten, Umspannwerke, Frequenzumrichter für Motoren, Elektrofahrzeuge usw. Aufgrund der Größe des Kristalls können diese Module einer erheblichen kurzfristigen Überlastung des Betriebsstroms (bis zum 10-fachen des Nennwerts) standhalten, was extrem ist ygodno gepulster Inverter Tesla-Spule nach DRSSTC-Technologie, da der Arbeitszyklus (die Zeit, während der die Schwingungen in der Schaltung und es fließt Strom durch die Transistoren auftreten, Erwärmen der Kristalle), gibt typischerweise etwa 5-10% beträgt. Andererseits ist die überwiegende Mehrheit dieser IGBT-Module für Betriebsfrequenzen in der Größenordnung von Einheiten von mindestens zehn Kilohertz ausgelegt (in letzter Zeit hat sich die Situation jedoch verbessert und moderne Module können bis zu 100 kHz arbeiten). Die Verwendung mit einer höheren Frequenz führt häufig zu Problemen mit der Verschlusssteuerung, Überhitzung und Explosionen (wo ohne Explosionen).



Die Kosten für ein Modul, selbst wenn es verwendet wird, können relativ hoch sein (von Einheiten bis zu Hunderttausenden von Rubel). Deshalb haben wir uns entschlossen, auf Nummer sicher zu gehen und zwei CM600DU-24NFH-Module mit einer Stoßstromreserve (600 Ampere Dauerstrom, 1200 Volt, zwei Transistoren) zu versorgen beim Halbbrückenschalten) nach dem Schema „Vollbrücke“ (wie Sie wissen, besteht eine Vollbrücke aus zwei Halbbrücken - K. O.) oder einfach „Brücke“. Mit ein paar Teelöffeln KPT-8-Wärmeleitpaste einen Kühler entsprechend ihren Abmessungen aufsetzen, mit Kupferreifen verbinden und mit dem erforderlichen Bodykit ausstatten - Elektrolyt- und Filmkondensatoren.



Es gibt viel schlaues empirisches Know-how, um die tatsächliche Art und Weise zu erfinden, wie diese Teile miteinander verbunden werden können, um Risiken zu verringern und die Zuverlässigkeit solcher Strukturen zu maximieren, aber die Felder dieses Eintrags sind zu eng, als dass ich Ihnen davon erzählen könnte, wenn Sie wissen, was ich meine. Es gab keine Garantie dafür, dass das resultierende Ding beim ersten Versuch, es einzuschalten, nicht explodieren würde, aber zu diesem Zeitpunkt schien es ein akzeptables Risiko zu sein.

Automatisierung und Elektrik

Der Steuerelektriker enthielt nichts besonders Interessantes. Es war notwendig, eine reibungslose Aufladung der Elektrolyte sicherzustellen (damit sie beim Einschalten des Geräts keine Maschinen im Schild ausschalten) - ein automatischer Anlasser (in der Tat ein großes Leistungsrelais) und mehrere Leistungswiderstände, die damit fertig wurden.



Eine 150-Ampere-Diodenbrücke begradigte das Netzwerk (übrigens wurde das gesamte Design natürlich für dreiphasige Stromversorgung entwickelt, was mit vielen verschiedenen interessanten Entdeckungen verbunden war - bevor wir für drei Phasen, insbesondere für eine solche Leistung, nichts unternommen haben), bliesen die Lüfter die Diodenbrücke und Gleichzeitig zeigten der Kühler des Aggregats und die Lampen auf der Vorderseite eine Ampel, die freundlich darüber informierte, wann es möglich ist, Teile der Spule mit den Händen zu berühren, wann es am besten ist, nicht zu sein und wann es wünschenswert ist, so weit wie möglich von ihr entfernt zu sein, um die Entladung nicht in die Krone zu fangen.

Fahrer

Der Steuerungstreiber ist ein separates Thema, und vielleicht kann ich Ihnen eines Tages mehr darüber erzählen. Sein Hauptzweck besteht darin, im richtigen Moment ein Steuersignal an die Gates der Transistoren anzulegen, diese so ein- und auszuschalten, dass die im Primärkreis auftretenden Schwingungen erhalten und verstärkt werden, während sie mit der vom Bedienfeld gelieferten Frequenz moduliert werden (genau dies ist für die Wiedergabe erforderlich) Tesla-Rollen). Nun, es gibt auch eine Vielzahl verschiedener Funktionen, die diesen Prozess optimieren und alle Ausnahmen behandeln (z. B. das Überschreiten des maximal zulässigen Stroms für Transistoren - OCD , Überhitzungsschutz usw.), einen sogenannten Phasendetektor. Ein Prädiktor, der das Schalten von Transistoren auf Nullstrom und andere Dinge ermöglicht, die für den Betrieb des Tesla-Spulenwechselrichters unbedingt erforderlich sind. Die aktuelle Schaltung (sowie das Layout der Karte, Fotos der Karte, Informationen zu den verwendeten Komponenten und die Tatsache, dass diese Karte vorhanden ist) ist geistiges Eigentum des Entwicklers. Daher kann ich sie nicht weitergeben, aber selbst wenn ich könnte, fürchte ich, ich habe nicht genug Verständnis und Professionalität, um klar darüber zu erzählen. Die Tesla-Spule ist mit Analogien an den Fingern sehr einfach zu beschreiben, aber das mathematische Modell, das unter dem Gesichtspunkt der Elektronikentwicklung korrekt ist, ist äußerst komplex und enthält viele nicht offensichtliche Feinheiten (sowie den Leistungsteil). Daher verwenden die meisten Teslostroiteley nur eine Reihe von Faustregeln und vorgefertigten Lösungen für die Konstruktion ihrer Spulen, die in unserem Fall nicht anwendbar war. Im Netzwerk gibt es viele Artikel über die Prinzipien der DRSSTC-Funktionsweise sowie offene (und geschlossene, aber zum Kauf verfügbare) Treiberprojekte, zum Beispiel vom chinesischen Kollegen Loneoceans - jeder kann dort mehr lesen.

MIDI-Fernbedienung

Das Bedienfeld (auch als Interrater bekannt) war ein einfacher MIDI-Synthesizer mit mehreren primitiven Einstellungen, der MIDI-Dateien (oder Daten von den Drehknöpfen) empfing und über das optische Kabel ein Steuersignal für den Treiber ausgab. Bei ihm war im Prinzip alles einfach und verständlich, weil wir beschlossen haben, keine Zeit damit zu verschwenden, das zu entwickeln, was wir kaufen können, und haben es einfach getan - wir haben das fertige gekauft. Natürlich stellte sich heraus, dass es sich um ein fehlerhaftes Halbzeug handelte, aber andererseits sparte es Hunderte von Arbeitsstunden beim Studium des MIDI-Protokolls, beim Erstellen eines Boards, beim Debuggen des Mikrocontrollers und beim Auffinden der unvermeidlichen Fehler. Hauptsache, er hat damals seine Aufgabe perfekt gemeistert. Die Fernbedienung wurde von einem amerikanischen Kollegen gekauft - Teslostroitel - und war zu diesem Zeitpunkt die einzige, die mit SD-Kartenunterstützung verkauft wurde, dh Musik ohne externes MIDI-Gerät oder Laptop abspielen konnte. Dies war kritisch, da berechtigte Befürchtungen bestanden, dass die Störung durch den Betrieb einer so großen Spule die gesamte Elektronik in einem bestimmten Radius fest hängen lassen würde, und die Aufhängung einiger MIDI-Keyboards, deren Entwickler in einem Albtraum nicht für einen solchen Pegel von Störsignalen sorgen könnten, wenn diese Die Tastatur steuert genau die Tesla-Spule, die sie stört. Sie ist mit unkontrollierten positiven Rückkopplungen und infolgedessen ... korrekterweise mit Explosionen behaftet. Wir wollten keine Explosionen.



Da die Fernbedienung in Form einer gelöteten und vernähten Platine mit einer Streuung von entfernten Teilen verkauft wurde, mussten wir ein Gehäuse dafür entwickeln, in dem die Platine selbst, die Stromversorgung, vier Encoder, vier Tasten, ein Display und zahlreiche Anschlüsse (vier optische Sender, MIDI-Eingang, USB-Eingang, Steckplatz) vorhanden sind für SD-Karte). Auf dem Weg dorthin wurden viele verschiedene Arten von Fehlern des Autors aufgedeckt, insbesondere das Fehlen jeglicher Ernährungskontrolle (angetrieben von Krona? Lithium-Ion? Ich habe es nicht gehört), die korrigiert und vervollständigt werden musste, damit es für den beabsichtigten Zweck verwendet werden konnte. Die resultierende Chimäre bewältigt trotz einer Reihe ekelhafter Störungen unter einigen erfolglosen Bedingungen die Hauptaufgabe bis heute erfolgreich.Ich habe sein Foto irgendwie nicht gefunden, aber es ist in einem der Bilder unten im Abschnitt „Erstinspektion“ zu sehen - eine Blackbox neben dem Netzkabel auf der rechten Seite des Bildes. Es gibt noch einen Frame aus dem Video des Autors der Schaltung und der Firmware - hier ist es.

Kondensatorbank

Als Resonanzkondensator haben wir die Leistungsfilmkondensatoren eines der einheimischen Hersteller ausgewählt, die speziell (gemäß Herstellerkatalog) für den gepulsten Betrieb entwickelt wurden. Fünf Teile mit einer Gesamtkapazität von ca. 1,2 Mikrofarad und einer maximalen Spannung von 20 Kilovolt, die über einen Kupferbus mit Messingschrauben verbunden sind. Übrigens wurde für das gesamte Projekt eine erhebliche Menge an Messingbefestigungen aufgewendet - aufgrund der enormen Ströme in Kiloampere, kombiniert mit einem starken Magnetfeld der Primärwicklung, erwärmen sich die verzinkten Stahl- und Edelstahlbefestigungen sofort glühend heiß, was letztendlich zu ungeplanten Spezialeffekten führen kann (ja Ja, Explosionen). Daher war es in der Sammelschiene von Kondensatoren und im Allgemeinen in allen Stromanschlüssen im Primärkreis erforderlich, nur Kupfer und Messing zu verwenden.Die ersten Tests zeigten die Naivität, etwas ferromagnetisches zu platzieren und / oder elektrischen Strom nicht gut genug zu übertragen.

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, : , « , » - . , , , , , , ( , , , — , ). , GEEK PICNIC ( ).

Wofür war das alles?

Nun, dann gab es ein bisschen Arbeit an den Bugs, den geschäftigen Gebühren, die auf Elagin Island ankamen, wo das oben erwähnte GEEK PICNIC traditionell in St. Petersburg stattfindet, nächtliche Tests vor dem Tag unseres Spulenfestivals, bereits mit einem neuen röhrenförmigen Toroid und in vollen Zügen (Entschuldigung für die absichtliche Tautologie). Der nächste Tag war Stunde X (während der wir ungefähr fünfzehn Minuten lang um die Menge sprangen, die kein Meisterwerk beginnen wollte, bis wir einen Installationspfosten fanden - der Stromwandler war in der falschen Phase angeschlossen), Vivaldi, der kaiserliche Marsch und Mario blitzschnell Alle Quadrocopter mit Kameras, fünfzigtausend Zuschauer, die das Geschehen betrachteten, einige mit Bewunderung, einige mit Überraschung, einige gleichgültig unverständlich, einige durch die Bildschirme ihrer Smartphones und Tablets, einige Zugaben bei Tageslicht, bei denen die Entladung kaum spürbar war (sind) es könnte auch zu hören) und - nach dem Ende des Festivals, aber vor dem Schließen des Parks - ein paar Minuten der größten Musik-Tesla-Spulen in Russland im Sommer Dämmerung, die manchmal noch vor meinen Augen stehen.















Halten Sie die Fernbedienung von so etwas fern und betrachten Sie fast sechs Meter blitzschnelle Luft mit drohenden Tentakeln, die in der Bewegung Ihrer Finger entstehen und sich verändern - dies ist immer noch eine meiner stärksten Erinnerungen an neun Jahre Arbeit an Tesla-Spulen und Spezialeffekten von Hochspannung. Aber leider bleibt nichts für immer und empört über das, was passiert (sie sagen, die Leute wollen nicht gehen, während Sie hier Spaß haben). Der Parkwächter forderte, dass der Laden zusammengelegt und ausgerollt wird, was getan wurde.





Leider ist es uns seitdem nie wieder gelungen, diese Tesla-Spule auf den Markt zu bringen. Wir haben das Triebwerksprojekt neu gestaltet, den Treiber aufgerüstet und erhebliche Fortschritte beim Verständnis der Prinzipien des Ganzen erzielt, aber das Fehlen einer für solche Experimente geeigneten Plattform ist leider immer noch ein unüberwindbares und teures Hindernis. Die Spule liegt in Form von Bauteilen in meinem Haus und wartet in den Flügeln. Eines Tages werde ich es wieder einschalten. Oder vielleicht nicht sie, sondern eine neue, zwei- oder dreimal mehr. Wer weiß.

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