大学物理实验教案-霍尔效应

大学物理实验教案                                        

实验名称:霍尔效应

实验目的:

1、了解霍尔效应原理。

2、了解霍尔电势差V与霍尔元件工作电流之间的关系,了解霍尔电势差V与励磁电流之间的关系。

3、学习用“对称交换测量法”消除负效应产生的系统误差。

4、学习利用霍尔效应测量磁感应强度B的原理和方法。

实验仪器:

TH-H霍尔效应实验仪                    TH-H霍尔效应测试

磁场测试仪

实验原理

一、霍尔效应原理

若将通有电流的导体置于磁场之中,磁场(沿z轴)垂直于电流(沿x轴)的方向,如图所示,则在导体中垂直于的方向上出现一个横向电势差,这个现象称为霍尔效应。

                           

这一效应对金属来说并不显著,但对半导体非常显著。利用霍尔效应可以测定载流子浓度、载流子迁移率等重要参数,是判断材料的导电类型和研究半导体材料的重要手段。还可以用霍尔效应测量直流或交流电路中的电流强度和功率,以及把直流电流转成交流电流并对它进行调制、放大。用霍尔效应制作的传感器广泛用于磁场、位置、位移、转速的测量。              

霍尔电势差产生的本质,是当电流通过霍尔元件(假设为型,即导电的载流子是空穴。)时,空穴有一定的漂移速度v,垂直磁场对运动电荷产生一个洛仑兹力

                                  (1)

式中为载流子电荷。洛沦兹力使载流子产生横向的偏转,由于样品有边界,所以有些偏转的载流子将在边界积累起来,产生一个横向电场E,直到电场对载流子的作用力FE=qE与磁场作用的洛沦兹力相抵消为止,即

                                  (2)

这时载流子在样品中流动时将不偏转地通过霍尔元件,霍尔电势差就是由这个电场建立起来的。

如果是型样品,即导电的载流子是电子,则横向电场与前者相反,所以型样品和型样品的霍尔电势差有不同的符号,据此可以判断霍尔元件的导电类型。

型样品的载流子浓度为,宽度为,厚度为。通过样品电流,则空穴的速度,代入(2)式有

                                       (3)

上式两边各乘以,便得到

                                 (4)

霍尔电压之间电压)与的乘积成正比,与霍尔元件的厚度成反比,比例系数,称为霍尔系数。它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数。

                         (5)

在应用中一般写成

                                            (6)

比例系数,称为霍尔元件灵敏度,单位为mV/(mA·T)。一般要求愈大愈好。与载流子浓度成反比,半导体内载流子浓度远比金属载流子浓度小,所以选用半导体材料作为霍尔元件。与片厚成反比,所以霍尔元件都做的很薄,一般只有0.2mm厚。

由(4)式可以看出,知道了磁感应强度,只要分别测出传导电流及霍尔电势差,就可算出霍尔系数和霍尔元件灵敏度

二、由确定以下参数

(1)由的符号(或霍尔电压的正负)判断样品的导电类型。判断的方法是按图所示的的方向,若测得的>0,(即电流流入端电势高于流出端的电势),则为正,样品属型,反之则为型。

(2) 由求载流子浓度,即。应该指出,这个关系是假定所有载流子都具有相同的漂移速度得到的(严格一点,应考虑载流子的速度统计分布,在若磁场下应引入一个修正因子)。

(3)结合电导率的测量,求载流子的迁移率

电导率可以通过图6-1所示的(或)电极进行测量。设间的距离为,样品的横截面积为,流过样品的电流为。在零磁场下,若测得间的电压为),可由下式求得

                                          (6-7)

根据材料的电导率关系,即,或者,测出值即可求式中为载流子的迁移率,即单位电场下载流子的运动速度。一般电子的迁移率比空穴迁移率大,所以霍尔元件多采用型材料。

三、霍耳元件副效应的影响及其消除

1.霍耳元件的副效应

在研究固体导电过程中,继霍耳效应之后不久又发现了厄廷豪森(Etinghausen)、能斯特(Nernst)和里纪—勒杜克(Righi-Ledue)效应,它们都归属于热磁效应。   

(1)厄廷豪森效应

1887年厄廷豪森发现,由于载流子的速度不相等,它们在磁场的作用下,速度大的受到洛仑兹力大,绕大圆轨道运动;速度小的则绕小圆轨道运动,这样导致霍耳元件的一端较另一端具有较多的能量而形成一个横向的温度梯度。因而产生温差电效应,形成电势差,记为。其方向决定于和磁场B的方向,并可判断始终同向

(2)能斯特效应

由于输入电流端引线的焊接点ab处的电阻不相等,通电后发热程度不同,使ab两端之间存在温度差,于是在ab之间出现热扩散电流。在磁场的作用下,在ce两端出现了横向电场,由此产生附加电势差,记为。其方向与无关,只随磁场方向而变。

(3)里纪—勒杜克效应

由于热扩散电流的载流子的迁移率不同,类似于厄廷豪森效应中载流子速度不同一样,也将形成一个横向的温度梯度,以产生附加电势差,记为。其方向只与磁场方向有关,且与同向。

2.不等势电势差  

不等势电势差是由于霍耳元件的材料本身不均匀,以及电压输入端引线在制作时不可能绝对对称地焊接在霍耳片的两侧所引起的,如图所示。因此,当电流流过霍耳元件时,在电极3、4之间也具有电势差,记为,其方向只随方向不同而改变,与磁场方向无关。

3.副效应的消除

根据以上副效应产生的机理和特点,除外,其余的都可利用异号法消除其影响,因

       

图2  能斯特效应                         图3  不等势电势差

而需要分别改变B的方向,测量四组不同的电势差,然后作适当的数据处理,而得到

测得

测得

测得

测得

消去

,一般可忽略不计,所以

                (7)

本实验要利用霍尔效应测量长直螺线管轴线上的磁感应强度。

实验内容

1、  掌握仪器性能,连接测试仪与实验仪各组之间的连线

(1)开关机前,测试仪的“IS调节”和“IM调节”旋钮均置零位(即逆时针旋到底)。

(2)连接测试仪和实验仪之间各组的连线。

2、绘VH—IS曲线

将测试仪的“功能切换”置VH,取IM=0.600A,分别取IS=0.50,1.00,1.50,2.00,2.50,3.00mA,依次测量+IS, +B;+IS,-B;-IS,-B;-IS, +B相应的VH,值。

3、测绘VH—IM曲线

保持IS值不变(取IS=2. 00mA),分别取IM=0.100,0.200,0.300,0.400,0.500­,0.600A,依次测量+IS, +B;+IS,-B;-IS,-B; -IS, +B相应的VH值。 

4、在零磁场下,取IS=0.20mA,测量

实验数据处理

2.0KGS/A

10.12T

Is为横坐标,为纵坐标作图,求斜率k=1.9097Ω

霍尔系数为

0.00796Ω*m/T

载流子浓度

9.25*10^20/m³

2

Ω        I为横坐标,为纵坐标作图,求斜率kK=6.217Ω

3、电导率0.0197S/mm

载流子的迁移率0.157m²/(C*S)

零磁场时:IS=2.00mA     =152.2mV

 

第二篇:霍尔效应及应用 大学物理实验总结报告参考

第 5 卷第 4期20xx年12月

温州职业技术学院学报

Journal of Wenzhou Vocational & Technical College

Vol.5 No.4Dec.2005

霍尔效应及应用

张海涛

(沈阳师范大学 物理科学与技术学院, 辽宁 沈阳

性的进展,在科学技术的许多领域都有着广泛的应用。

[关键词] 霍尔效应;霍尔传感器[中图分类号] O472+.6

[文献标识码] A

[文章编号] 1671-4326(2005)04-0026-03

110034)

[摘  要] 霍尔效应是一种发现、研究和应用都很早的磁电效应。霍尔效应的研究在当今已取得了许多突破

Hall Effect and its Application

ZHANG Hai-tao

(College of Physics & Technology, Shenyang Normal University, Shenyang, 110034, China)Abstract: Hall Effect is a magnetoelectric effect which was discovered, studied and applied very early. The

study of Hall Effect has made a lot of breakthroughs, and it is widely used in many fields of science and technology.

Key words: Hall Effect; Hall sensor

0  引 言

霍尔效应在当今科学技术的许多领域都有着广泛的应用,如测量技术、电子技术、自动化技术等。近年来,由于新型半导体材料和低维物理学的发展使得人们对霍尔效应的研究取得了许多突破性进展。德国物理学家克利青(K.V.Klitzing)因发现量子霍尔效应而荣获1985年度诺贝尔物理学奖;美籍华裔物理学家崔琦、美籍德裔物理学家施特默(H.L.Stormer)和美国物理学家劳克林(R.B.Laughlin)因在发现分数量子霍尔效应方面所作出的杰出贡献而荣获1998年度诺贝尔物理学奖。这一领域因两次授予诺贝尔奖而引起了人们广泛的兴趣,崔琦也成为第六位获得诺贝尔奖的华裔科学家。本文系统阐述了霍尔效应及应用,并详细介绍了国内外有关量子霍尔效应研究的新进展。

一种特殊的现象:如图1所示,将载流导体板放在磁场中,使磁场方向垂直于电流方向,在导体板两侧ab之间就会出现横向电势差U。这种现象是霍尔首先发现的,因此,称之为霍尔效应,导体板两侧形成的电势差U称为霍尔电压。霍尔的发现在当时震动了科学界,许多科学家纷纷转向这一研究领域。

FL

FLb

图1  霍尔效应原理

1  经典霍尔效应

1897年,霍尔(E.H.Hall)正在马里兰的JohnsHopkins大学读研究生。当时还没有发现电子,也没有人知道金属导电的机理。他注意到著名的英国物理学家麦克斯韦和瑞典物理学家埃德隆关于一个问题的分歧,于是在导师罗兰(H.A.Rowland)教授的支持下,做实验来验证磁场到底对导线中的电流有没有影响,却发现了

[收稿日期]  2005-09-19

霍尔效应可以从运动电荷受到的洛伦兹力得到解释。实验表明,霍尔电压U与电流I、磁感应强度B都成正比,与板的厚度d成反比。其公式为:

      U=K?IB/d              (1)

(1)式中,K=1/nq为比例常数,称为霍尔系数,它由导体(或半导体)材料的性质所决定。

2  量子霍尔效应

[作者简介] 张海涛(1983─),男,河南商丘人,沈阳师范大学物理科学与技术学院硕士研究生.

第 5 卷第 4期张海涛:霍尔效应及应用27

按经典霍尔效应理论,霍尔电阻RH(RH=U/I=K?B/d= B/nqd)应随B连续变化并随着n(载流子浓度)的增大而减小,但是,1980年,克利青在1.5K极低温度和18.9T强磁场下,测量金属——氧化物——半导体场效应晶体管时,发现其霍尔电阻RH随磁场的变化出现了

RH=hh为普朗克常数,e为电子电量,N=1,2…整数),这种现象称为整数量子霍尔效应(IQHE)。

1982年,崔琦和施特默等人在比整数量子霍尔效应更低的温度0.1K和更强的磁场20T条件下,对具有高迁移率的更纯净的二维电子气系统样品的测量中,也在一些电阻和温度范围内观测到横向霍尔电阻呈现平台的现象,但极为不同的是,这些平台对应的不是原来量子霍尔效

应的整数值而是分数值,即R12(v=4H=h51),

故称为分数量子霍尔效应(FQHE)。一年后,劳克林用一个波函数对分数量子霍尔效应给出了很好的解释。

3  霍尔效应的应用

一般而言,金属和电解质的霍尔系数很小,霍尔效应不显著;半导体的霍尔系数则大得多,霍尔效应显著。从20世纪60年代起,随着半导体材料和半导体工艺的飞速发展,人们发现用半导体材料制成的霍尔元件具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点,因此,将其广泛应用于电磁测量、非电量测量、自动控制、计算与通讯装置中。

3.1  测量半导体特性

霍尔效应对于诸多半导体材料和高温超导体的性质测量来说意义重大。设导体中电流方向如图1所示,如果载流子带负电,它的运动方向和电流方向相反,作用在它上面的洛伦兹力向下,因此,导体上界面带正电,下界面带负电;如果载流子带正电,则导体上界面带负电而下界面带正电。由此可以看出,只要测得上下界面间霍尔电压的符号就可以确定载流子的符号。用这种方法就能够测定半导体究竟是P型还是N型。如果载流子已知,则通过测定霍尔系数K,还可算出导体中载流子的浓度n,进而得出载流子浓度受其客观因素影响的情况。如由Lake Shore公司推出的Lake Shore7500系统,配备专门为7500设计的IDEAS软件,操作简单、精确,可用于测量样品的电阻、电阻率、霍尔系数、霍尔迁移率、载波密度和电子特性,能够满足人们多方面的测量需要。

3.2  测量磁场

利用霍尔效应可以制造精确测量磁感应强度的仪器——高斯计。高斯计的探头是一个霍尔元件,在它的里面是一个半导体薄片。依据(1)式,U可用毫伏计测量,K、I也可用相应的仪器测量,因此,就可以方便地

算出B值。高斯计的表盘是以磁感应强度标记的,只要把高斯计插入待测磁场中,B便可以直接读出,非常方便。如果要求被测磁场精度较高,如优于±0.5%,那么,通常选用砷化镓霍尔元件,其灵敏度高,约为5-10mt/100mt.mA,温度误差可以忽略不计;如果要求被测磁场精度较低,体积要求不高,如精度低于±0.5%时,则可选用硅和锗霍尔元件。

3.3  磁流体发电

从20世纪50年代末开始进行研究的磁流体发电技术,可能是今后取代火力发电的一个方向。其基本原理就是利用等离子体的霍尔效应,即在横向磁场作用下使通过磁场的等离子体正、负带电粒子分离后积聚于两个极板形成电源电动势。这种新型的高效发电方式,通过燃料燃烧发出的热能使气体变成等离子体流而转换成电能,无须像火力发电一样,先将燃料燃烧释放的热能转换成机械能以推动发电机轮转动,再把机械能转换成电能,这样在提高了热能利用效率的同时,也满足了环保的要求。目前,这方面已经有示范工程,预计在2010内可局部商业化,发展前景广阔。

3.4  电磁无损探伤

霍尔效应无损探伤方法安全、可靠、实用,并能实现无速度影响检测,因此,被应用在设备故障诊断、材料缺陷检测之中。其探伤原理是建立在铁磁性材料的高磁导率特性之上。采用霍尔元件检测该泄漏磁场B的信号变化,可以有效地检测出缺陷存在。钢丝绳作为起重、运输、提升及承载设备中的重要构件,被应用于矿山、运输、建筑、旅游等行业,但由于使用环境恶劣,在它表面会产生断丝、磨损等各种缺陷,所以,及时对钢丝绳探伤检测显得尤为重要。目前,国内外公认的最可靠、最实用的方法就是漏磁检测方法,根据这一检测方法设计的断丝探伤检测装置,如EMTC系列钢丝绳无损检测仪,其金属截面积测量精度为±0.2%,一个捻距内断丝有一根误判时准确率>90%,性能良好,在生产中有着广泛的用途。

3.5  霍尔传感器

以霍尔效应原理构成的霍尔元件、霍尔集成电路、霍尔组件通称为霍尔效应磁敏传感器,简称霍尔传感器。利用霍尔电压与外加磁场成正比的线形关系可做成多种电学和非电学测量的线性传感器。如控制一定电流时,可以测量交、直流磁感应强度和磁场强度;控制电流电压的比例关系,令输出的霍尔电压与电压乘电流成比例,可制成功率测量传感器;当固定磁场强度大小及方向时,可以用来测量交直流电流和电压。利用这一原理还可以进一步精确测量力、位移、压差、角度、振动、转速、加速度等各种非电学量。霍尔传感器在日常生活和工业生产中应用广泛。

28温州职业技术学院学报20xx年 12月

(1)在日常生活中的应用。在日常生活中,霍尔传感器大多应用于家用电器。如录音机的换向机构就是使用霍尔传感器检测磁带终点并完成自动换向功能的;录像机中的磁鼓电机常采用锑化铟霍尔元件;洗衣机中的电动机都必须具有正、反转和高、低速旋转功能,主要依靠霍尔传感器检测与控制电动机的转速、转向来实现。霍尔开关类传感器还用于电饭煲、气炉的温度控制和电冰箱的除霜等方面。如HK系列霍尔接近开关可将磁讯号转换成数字电压输出,其特点是响应频率高,重复定位精度高(0.02mm),另外还具有多种工作模式:常开、常闭、自锁、NPN输出、PNP输出等等。霍尔电机是一种无刷电机,利用转速变化信号控制霍尔电压信号变化,从而调节驱动电路驱动管中的工作电流,即调节电动机定子绕组电流,实现对电动机转速与稳速的控制,克服了一般带电刷或整流子直流电机不能达到转速稳、寿命长、噪声小的致命弱点,大量应用于影碟机、VCD等家用电器和仪表中。霍尔效应动感检测器加上一些电子线路可制成报警器,带在老人或消防人员身上,当出现昏迷、跌倒情形时可报警发出声响,还可用来装在汽车或摩托车上,起到防盗目的。

(2)在工业生产中的应用。生产的高度自动化才能为企业带来高效率,高质量产品来自生产过程的高精度检测控制和超精密后序加工。在这些过程中,必须依靠传感器准确地收集各种运动量、机械量、电量、温度和湿度等信息,送计算机及时处理并指挥各执行元件进行严密控制。霍尔效应传感器在其中完成对各种物理量的检测。如HPT-3型霍尔式功率传感器能够实现真正的有功功率检测,具有灵敏度高、线性度好和响应快速等优点。研究表明,当电机负载率从0.1增加到1.15时,电流改变4.15%,功率因数改变29.3%,有功功率改变33.4%,在要求高效率的轴承磨床、内圆磨床中发挥着重要作用。霍尔式位移传感器的突出优点是输出变化量大、灵敏度高、分辨力强、质量轻、惯性小、反应速度快,适合作动态位移测试。如以半导体材料砷化镓霍尔器件与高性能稀土永磁材料构成的小位移传感器及其检测电路可分辨的最小位移变化量可达0.1μm。在冶金、化工、超导体的应用以及高能物理(如可控核聚变)试验装置中有许多超大型电流用电设备。用多霍尔探头制成的电流传感器进行大电流的测量和控制,既可满足测量准确的要求,又不会引起插入损耗,还免除了像使用罗果勘斯基线圈法中需用的昂贵测试装置。如使用DⅢ-D托卡马克中的霍尔电流传感器装置,可检测高达到300kA的电流。

汽车、工业控制或安全系统需要感受位置、速度、电流时,霍尔元件的高可靠性、高灵敏度和更好的温度稳定性使它具有比其它传感器更好的性能。霍尔式汽车

点火器与传统点火器不同,具有点火能量高、高速点火可靠、故障率低、省油等优点。霍尔效应式速度和里程测试仪可以精确测量汽车的行驶速度及里程。如在富康1.4iRL和1.6iAL系列新款轿车中安装BOSCH MP5.2电子控制多点燃汽油喷射系统的TU3JP/K(1.4iRL系列)和TU5JP/K(1.6iAL系列)发动机,其中轮速传感器为霍尔效应式传感器。霍尔轮速传感器具有以下优点:一是输出信号电压幅值不受转速的影响;二是频率响应高,可达20kHZ,相当于车速为1,000km/h时所检测的信号频率;三是抗电磁波干扰能力强。因此,霍尔传感器不但广泛应用于ABS轮速检测,也广泛应用于其控制系统的转速检测。此外,霍尔传感器在飞机、军舰、航天器、新军事装备及通讯中应用也相当广泛。如我国的远程导弹、“风云”号卫星、“神舟”号飞船等均使用特别研制的霍尔传感器。

4量子霍尔效应的新进展

量子霍尔效应的一个重要应用是高精度地测定了

精细结构常数α。它是用来量度电磁相互作用强度的。在SI单位制中,精细结构常数的表达式为α= e2/2εohc,其中c为光速,h为普朗克常数,e为电子电荷。由量子霍尔效应测定的α的倒数不确定度为6.2×10-8,可以看出,其具有很高的精确度。

通过大量实验和严格理论研究证明,在量子霍尔效应的RH-B关系曲线中的电阻平台是与h/e2成比例的,而与样品的材料、形状等因素无关。普朗克常数h和电子电荷e都是基本物理常数,因此,可以采用量子霍尔电阻的普遍性和很高的测量精确性的特点,将其作为电阻单位欧姆的自然基准。从1990年1月1日起,国际计量委员会在世界范围内启用量子化霍尔电阻标准代替原来的实物标准,并给出了国际推荐值RH=h/e2=25812.807Ω。为此,国际计量局还建立了一套可运输的量子化霍尔电阻装置,到已建立此种自然基准的各个国家实验室进行循环比对。结果表明,各国的数据一致性为10-8量级,好一些的可达到10-9量级。2000年10月,日本电学计量机构的中西正和博士携带了三个高稳定的1Ω标准电阻到中国计量科学研究院进行双边国际比对,结果表明,两国用量子化霍尔电阻复现1Ω电阻量值的差别仅为1.3nΩ,优于目前文献中已发表的所有结果,表明我国电学计量基准已达到世界先进水平。

但是,在实际电能应用中,直流电仅是很小一部分,大规模应用是在50HZ或60HZ交流电状态下进行的,通讯等领域则应用了从音频到微波的广阔的交流电频段。为了保持单位的一致性,交流阻抗的单位亦应溯源到量子化霍尔电阻。此项研究在国际上开展了近10年,但目前各国的研究者遇到了同一问题,(下转第41页)

(fmax 50KHZ)

第 5 卷第 4期熊慧君:“SA8000”的道德正当性及其效应探析41

要。随着经济的发展,我国企业在伦理建设上也处在进步中,如来自消费者的市场选择的直接而强大的力量,推动了企业生产高质量产品和提供优质服务意识的提高,同时,企业也逐渐认识到,提供优质产品和服务,提高企业竞争力,需要员工有高的素质,其中很重要的是道德素质,如敬业、诚实、团队精神等等,许多企业也努力去培养员工这些方面的素质。但是,不少企业没有清晰地认识到,善待员工,保障其权益,创造人道化的充满人性关怀的环境和氛围,是激发员工道德意识的前提。企业和员工的伦理关系是双向的,道德是一个彼此对待的问题,企业希望员工有良好的道德,同样员工

也要求企业是道德的,企业只有道德地对待员工,才能使员工认同企业,并对员工提出道德要求。如果员工的基本人权得不到保障,员工的道德精神则很难培育,企业整体素质也很难提高。所以,目前我国企业整体素质提高中一个十分重要的方面,就是通过对社会责任的承担,建设良好的劳资关系,以提升竞争能力。

总之,在市场经济的长期发展中,“SA8000”所规定的内容已经成为社会公认的伦理责任,承担社会责任是经济全球化趋势中不可阻挡的潮流。对我国企业来说,采取积极应对态度,不断提高承担社会责任的水平以在全球竞争中进一步提升竞争力,是当务之急。

[参 考 文 献]

[1]乔治?恩德勒.经济伦理学大辞典[Z].北京:人民出版社,2001.506 ̄507.[2]周祖城.管理与伦理[M].北京:清华大学出版社,2000.57.[3]米歇尔.鲍曼.道德的市场[M].北京:中国社会科学出版社,2003.[4]马克思.资本论(第1卷)[C].北京:人民出版社,1975.221.

[责任编辑:李送德]

(上接第28页)即发现在音频范围内交流量子化霍尔电阻并没有达到和直流相近的高准确度,一般在1~2×10-7左右。如何进一步提高交流量子化霍尔电阻的准确度,至今还不十分清楚。总之,尽管交流量子化霍尔效应的研究是一个有吸引力的课题,但要取得长足的进步尚需进行相当深入的基础性研究。

效应,从经典霍尔效应到整数量子霍尔效应再到分数量子霍尔效应,已经取得了不少科研成果。最近几年里,人们的兴趣主要集中在量子霍尔器件上,而电子在量子霍尔磁场中的自旋已成为研究领域的课题。分数量子霍尔效应开创了一个新的研究多体现象的新时代,新的物理效应有可能开拓出新的学科领域,这将进一步影响到物理学的很多分支。相信在不久的将来,在这个领域,将不断出现科学研究的新成果,更多地为人类造福。

5结束语

霍尔效应是一种发现、研究和应用都很早的磁电

[参 考 文 献]

[1]陈秉乾,舒幼生,胡望雨.电磁学专题研究[M].北京:高等教育出版社,2001.[2]杨锡震,田强.量子霍尔效应[J].物理实验,2001,(6):3 ̄7.

[3]王世康.霍尔元件的特点及应用[J].胜利油田师范专科学校学报,1998,(4):19 ̄21.

[责任编辑:陈大路]

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