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[科技前沿] 正经说个硬的:原子钟

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  • TA的每日心情
    慵懒
    2023-12-6 00:54
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    楼主
     楼主| 发表于 2020-7-22 21:00:00 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
    本帖最后由 七月群山 于 2020-7-22 21:06 编辑 4 R/ X3 t, n/ j7 x( N( o, i
      i+ G& B: u$ w5 U8 {
    前不久收官的北斗-3(BDS-3)定位星座,用了一项顶牛逼的硬核科技:氢原子钟。
    ! N1 o+ ?+ q& C4 q! u/ ^
    : R* X9 C) A4 c7 e) P( p氢原子钟是通俗说法。正经说,北斗-3用的是一台叫“被动型惰性氢分子激射器”的时频仪器,简称PHM。
    % C6 e1 T8 h8 T$ {" E# P
    : S" q" F) {6 l4 C个头、模样大致如此,二十六公斤。
    ; X4 E+ Z6 I: H. K( x7 C/ _
    0 z  }6 v( ^3 s# ?. t氢原子钟,Hydrogen MASER(Microwave/Molecular Amplification by Stimulated Emission of Radiation),分两种:主动有源型(active)和被动无源型(passive)。主动型当然好了,是目前已知精度最高的,就是呢个头太大了些,要求的温度条件和材料也相当苛刻,在地面站没问题,上卫星就不现实了;被动型,就是现在北斗3系用的,精度大概好像可能是差一个0,但是比目前美国GPS的铷钟,还是精确了两个到三个0,也就是一百到一千倍,稳定性也更高,耗电量随之也增加了,大致好像是五十瓦的级别,用在卫星上还不是负担。
    2 P3 g) j$ b- A: i' N; K3 {; w3 r, Y8 L. f7 j9 \) ~5 o+ ?# y% G( P
    当然,北斗3系是氢铷钟复合的双保险,这也是新卫星的主流——在卫星方面,目前,中国自己,还真就是主流,平均两星期发一颗,没别人了。5 {7 ]# D2 y5 j6 i: s
    8 l! k: q" n* P/ W( M5 j! C
    定位星座,美国“老大”,大不大另说,老肯定是够老的;俄罗斯、欧盟也都使用氢钟技术的,但和中国比嘛,理论上是没有代差啦,而且俄版自称抗干扰(此话怎讲?)方面有优势,但他总共就24+3颗的实力,可靠性也明显比我差;欧盟的伽利略,用的法国欧赫利亚(orolia)公司的产品,虽说重量上有优势(18公斤),耗电更低,但毕竟是民用级别的,精度被咱碾压不说,最要命好像是,还没射过?/ C& D3 m' w9 a. n

    8 B9 \( c1 ~2 L  Q* G还有一个印度,印度挺牛的。有一个航天科技世界排名的网站,把印度排在美中欧俄日之后;印度科学家不乐意了,说,如果把人口和总投资之类的因素加进去,印度实际是世界第一的——反正印度人的算数最棒,总能把印度算成世界第一,连韩棒都比不过印棒。背着手撒尿不服不行。
    # s9 z9 Z% {5 @. D. R5 l% k, i( o! ?& v
    也许有人知道,在中国的北斗2系之后,大概是2013~2016,印度发射了7颗卫星的区域定位系统,叫navic。中国的几家手机为了抢印度市场,还想抬举抬举这个navic来着,不过印度至今也没搞出来相关的芯片,就更别提软件了。那这个navic干嘛用的?或者说有没有任何应用?这是印度之谜!
      t/ E/ P0 O( ^" U2 O/ l! L% i: m9 F5 _1 [! \
    不开玩笑,印度那威客的实际情况是,成网的第二年,一号星停摆了;然后补发一颗,失败了,到2018年再补发,按说是成功了,但其它几颗的可靠性明显的不行了。
    7 W* P5 K4 ~$ I5 I+ z" H/ {* j, p7 H- Z* H2 V- S0 ~0 H! q
    啥停摆了?原子钟啊!当年,2013年,印度虽说自己造不出原子钟,可它买的也是世界顶级的法国频谱计时spectratime公司的铷钟,虽说是民用级别的,毕竟是伽利略系统的供应商,(就是orola的前身,orola目前也是华为的供应商),,,不管怎样,反正,在原子钟方面,印度目前是,空白。当然就更不存在军用级别的定位系统了。没有卫星技术的支撑,其它的,比如导弹啦,无人机啦,,,等等,都必须仰人鼻息,“大国”悲哀莫过于此。$ H0 b. X0 Z/ |  w

    3 \+ ]- Q% z$ J0 C9 b说些个大家可能百度不到的。
    + G& j1 ?  B1 }: M) b
    ( N& Q) y& w  p. ~" A! ]0 P' t===前方高能===* P$ Y( o: M2 T' A
    ' v) ]0 o4 s& @5 k
    原子钟的重要性,中国科学家早就明白,但是啊,新中国那叫一个一穷二白,看着hp——没错,就现在笔记本的hp,在咱炮打司令部之前,1964年,hp就造出了便携式原子钟,眼馋啊,哈喇子流一尺那种。
    % W/ H4 u# b7 c0 C5 }3 [: ]; o/ A9 S: @* I8 B" s/ s
    那年,从字面意义讲,“时间”是掌握在美国的国家标准局手里的,懂吗,它可以是上帝,或者阎罗王。
    1 s8 j. y  H+ o" a" X
    & W, K% ]: B( h2 v( @9 G
    2 _2 j' s, y% Z6 h7 |惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    * b9 T2 N" E6 a$ ]& W# ]2 T; d5 P' S$ Q5 B% t1 @8 O
    1964年的我们,面上菜色未消,胸中“铯”心又起。裤腰带紧了两扣,就制定了第一个铯束原子钟的十年大计。不到五年,达成第一阶段小目标,我们算是做到了原子钟的入门级。然后点点悲剧,,,等到“文革”消停了几天,“余毒”还没肃清呢,英明领袖还是华主席呢,胡耀邦还没开始“敲边鼓”呢,,,已经有“臭老九”开始蠢蠢欲动,甚至扬言,要把失去的“时间”夺回来!+ P9 T* R+ y( P* P! V! m

    7 T6 _- Y7 |( o/ G% q3 Z那是一帮时频的工程师。不对,他们那时还没有职称呢,都叫“技术员”,每月37元的工资,因为加夜班食堂会补一份肥肉很多的夜宵炸酱面而令他们欢欣鼓舞。但是我知道至少曾经有一个这样的美食之夜里,有三个蹲实验室的“技术员”并不开心,因为仪器故障他们当中必须有一个人去找无线电的小余来帮忙,而小余的娇妻是三线蹲放射性的,两三个月才回家度一下蜜月。谁大半夜的去敲人家小夫妻的门,那年月,挨大嘴巴。。。结果是小烨去的,也没挨大嘴巴。小余不到一个小时就修好了机器,完事也没客气,把大半罐子的肉炸酱都拿走了,因为他第二天倒休陪老婆,不打算出门。
    " J+ `, ?& {, A8 K: ?2 j
    6 u* I* V' L4 i  s# I2 N3 E时频,无线电,放射性,说的都啥?“时间”的原理或许你懂,可要把它固定在机器里,再以难以置信的精确度同时拿出来,是奇迹。. p/ d( i1 q( {& I

    0 t' B/ W+ m; J0 w9 y1981年,时频的技术员们第一次“真正”做到了,精度达到十的负十三次方,追上了世界水平。“时间”从此攥在了我们手里,而且我们再也没撒过手。% |& v! z$ J: l. ^: R3 |

    $ C" s3 Y7 g7 p4 B6 j7 R1986年,十的负十四次方。# B' X' G* S! ^# L
    ( {0 Y# q* \- u0 Q; U
    2003年,十的负十五次方。. H5 X0 Z0 }9 Z

      n3 Y* `' v0 P$ i; n( ?2017年,十的负十六次方。: x) ~$ [5 i. ]3 U4 k( J7 a
    5 o  n& [# {1 d+ X, k' l, t/ d
    这些还都是我们100%可以做到的“标准”水平,敞开了让你看,你花钱就给你做机器,绝不藏着掖着。' A9 I' {0 `7 Q8 u' \
    $ v* L- g- w: @- ]% T* x+ ~: [
    。。。: Q+ o8 P9 V4 ?6 b- r& _2 f2 u
    ) R. r  A& v, Z4 {; q3 L: f

    $ Q$ n7 W: f+ O7 [8 |今天,再去问时频“小烨”,他可能只记得当年价值九十元的真空管爆炸时的撕心裂肺;而放射性的罗阿姨,总会抱怨几句山洞里的实验室,害她犯关节炎;无线电的小余呢,对食堂何师傅的肉渣酱一直念念不忘。
    1 d- _3 x& |5 z+ V3 m! x* K- n& w8 X
    9 V2 b  F0 _# l: S9 P
    . P4 _& m' q5 |5 Y* o

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  • TA的每日心情
    开心
    12 小时前
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    [LV.Master]无

    沙发
    发表于 2020-7-22 21:54:56 | 只看该作者
    国内第一台铯钟在1965年就完成了,领头人是王义遒 十年后铷钟也成功了。
    # o, ^, ]3 B$ X9 H  I% Z真正的难点在于原子钟的小型化,这个是真的努力了好多年了。早七八年前2G往3G转的时候很多老旧基站都要拆除,所以市面上流了很多基站上带下来的铯钟,曾经有发烧友用这玩意代替高端恒温晶振来做采样与解码标准时钟。

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      发表于 2020-7-27 02:47

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  • TA的每日心情
    无聊
    9 小时前
  • 签到天数: 3259 天

    [LV.Master]无

    板凳
    发表于 2020-7-22 21:55:25 | 只看该作者
    北斗系统据说让科学院上海小卫星当了一把鲶鱼,分了部分星座给科学院,导致五院大为紧张,双方竞争加剧而促进北斗代际加快。

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      发表于 2020-8-8 16:40
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      发表于 2020-7-24 00:11
    给力: 5 涨姿势: 5
      发表于 2020-7-23 14:27
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      发表于 2020-7-23 08:39

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  • TA的每日心情
    开心
    2019-4-29 10:01
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    [LV.8]合体

    地板
    发表于 2020-7-23 07:53:34 | 只看该作者
    电视台的3.58MHz色度副载波和授时台同步,可以代替铯钟。
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  • TA的每日心情
    开心
    2025-3-13 15:17
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    [LV.9]渡劫

    5#
    发表于 2020-7-23 08:17:06 | 只看该作者
    看了这么一点不过瘾,有没有这方面的科普书可以推荐一下,谢谢
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  • TA的每日心情
    开心
    昨天 11:14
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    [LV.9]渡劫

    6#
    发表于 2020-7-23 08:47:43 | 只看该作者
    本帖最后由 忧郁金桥 于 2020-7-23 08:49 编辑 " O- J0 ~- [9 I" T
    # x: X0 d; h  Q8 r- v/ C# H0 I
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    , c6 Y3 N, {, I* ?8 w1 g! i2 b看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。" t2 J$ q9 u8 Y" g3 [$ v  V
    谢谢,“车旅系列”还能有第2季吗?
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  • TA的每日心情
    慵懒
    14 小时前
  • 签到天数: 3836 天

    [LV.Master]无

    7#
    发表于 2020-7-23 10:41:50 | 只看该作者
    每月37元的工资 ------ 中专起步工资
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    8#
    发表于 2020-7-23 18:45:06 | 只看该作者
    安捷伦的铯钟,现在还是只能让人望尘莫及的水平,据说现在都禁运了
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  • TA的每日心情
    开心
    12 小时前
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    [LV.Master]无

    9#
    发表于 2020-7-23 22:56:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-23 18:451 B; s' d! r/ ?* K; T7 _
    安捷伦的铯钟,现在还是只能让人望尘莫及的水平,据说现在都禁运了

    - t1 T8 i/ K# V8 ~) Y) U原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务,后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。
    ; B6 O" d0 I5 D4 `他家的铯钟在基站上很常见。

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      发表于 2020-8-8 16:41
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      发表于 2020-7-24 07:14

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    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    10#
    发表于 2020-7-25 13:35:00 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-23 22:56, _, T7 k& X& |8 M1 ], P
    原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务,后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。, ~8 @" M$ j3 P2 k1 q. b
    他 ...

    7 D+ k) a2 v  @" D短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    # e' q  {* ~, \4 Y" U  j- Z9 R0 Y% L5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
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    12 小时前
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    11#
    发表于 2020-7-25 22:56:14 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-25 13:35
    ! Z3 \0 a) B8 I' G, m% {短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好8 c9 T1 k- s( R# h; O9 g: h
    5071A好像这两年不好买了
    3 g! f! n. n* t
    这个短稳长稳有出处嘛?' P5 P, ~" ~9 ]/ @1 r
    铯铷两种原子钟国内目前的厂家是天奥。恰恰就是这个国产鲶鱼让进口货的价格腰斩一半~~1 _% w8 p+ |6 a) l& S
    所以 安捷伦到底是美国禁运呢还是自个玩不下去了还得俩说

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      发表于 2020-7-26 06:29
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    12#
    发表于 2020-7-26 12:48:09 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-25 22:564 o6 R9 Z2 O9 {3 M, H
    这个短稳长稳有出处嘛?, \9 L0 ^: [) n$ s( c. k9 S+ y' V
    铯铷两种原子钟国内目前的厂家是天奥。恰恰就是这个国产鲶鱼让进口货的价格腰斩 ...

    . X/ N  G# ~8 K: C( E
    6 d- i2 J7 ^2 h4 m8 @2 r" B- H
    & L' H4 I/ ~* i) ^+ h: T没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图9 h% r' ?/ J# _$ v* A: _8 d
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的稳定性好,随着时间拉长,氢钟的稳定性(阿伦方差)就开始往上翘了,而高性能铯钟的阿伦方差则保持减小的趋势。

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    油墨: 5 油菜: 5 给力: 5 涨姿势: 5
      发表于 2020-8-8 16:41
    油墨: 5 油菜: 5
      发表于 2020-7-27 04:48
    给力: 5
      发表于 2020-7-27 03:03
    油菜: 5 涨姿势: 5
    学渣表示看不懂,但不妨碍表示佩服 :)  发表于 2020-7-26 21:12

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  • TA的每日心情
    慵懒
    15 小时前
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    [LV.Master]无

    13#
    发表于 2020-7-27 03:01:53 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-23 22:561 w* ~  B# S' c2 o& y0 r% t2 {
    原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务,后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。' c0 m6 n" ^6 {5 i4 V* M
    他 ...
    ! t6 e2 C% S& c+ n& k
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

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      发表于 2020-7-30 11:41
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  • TA的每日心情
    开心
    12 小时前
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    [LV.Master]无

    14#
    发表于 2020-7-27 03:35:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-26 12:48
    8 N) _1 E) ~8 D- O8 C+ U  E: j( G没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    4 e6 l* E* D9 i& F" ?这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

      O' \+ K% P* x4 U1 \你说的这个是冷原子喷泉钟吧?传统的铯基原子钟稳定性是不如铷和氢的。6 q/ G6 K- b4 Y
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大了,只能空间站或者大型卫星上使用。
    4 u6 V, D# v4 G% ~7 }3 O

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      发表于 2020-7-27 04:47
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    15#
    发表于 2020-7-27 11:33:16 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-27 03:35
    ) n% O- O- k: Y) Q* b你说的这个是冷原子喷泉钟吧?传统的铯基原子钟稳定性是不如铷和氢的。7 k& D* k2 f9 h( @$ l
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    9 [  D. N4 u) K/ H: n可能高端的铯钟做的更好一些吧' F2 C) i) \9 h3 ?. f
    从射电天文学的反馈来看,观测的时候都是用氢钟,利用其短稳0 C9 y# Q2 D% P! w
    时间基准据说用的是铯钟,利用其长稳
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
  • 签到天数: 1 天

    [LV.1]炼气

    16#
    发表于 2020-7-27 11:34:00 | 只看该作者
    北京阿新 发表于 2020-7-27 03:01, o3 r5 q* I5 Z: ?/ S0 x
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    ! c) c: ~8 L* o, \! V  r嗯,惠普 - 安捷伦 - 是德,不知道后面怎么变
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  • TA的每日心情
    开心
    2020-9-28 03:33
  • 签到天数: 17 天

    [LV.4]金丹

    17#
    发表于 2020-7-28 00:56:08 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-27 11:33" `! h/ T' t6 Z+ C! f- S( u; S
    可能高端的铯钟做的更好一些吧+ f! r1 X8 w! i& v4 f1 w
    从射电天文学的反馈来看,观测的时候都是用氢钟,利用其短稳
    : z8 u0 k& `, Z3 Y. S时间基准据说 ...

    1 n- n3 i$ C4 j2 w" ?2 i& x8 T3 r& n0 |; p请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-4-29 10:01
  • 签到天数: 334 天

    [LV.8]合体

    18#
    发表于 2020-7-28 09:50:08 | 只看该作者
    时间基准就是用铯的9193兆谱线对的。铷是6834兆。
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
  • 签到天数: 1 天

    [LV.1]炼气

    19#
    发表于 2020-7-28 10:29:35 | 只看该作者
    陈王奋起挥黄钺 发表于 2020-7-28 00:56
    ' ^4 [2 M: A" z2 U7 l0 m请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    0 g1 j9 c. O' `  D  F如果原子钟是放在一起的,可以本地直接比对,找出相互之间的差值,根据长期的数据,可以评估出各个单台原子钟的稳定性,用算法算出一个综合的时间,大家向这个综合的时间看齐调整" R  _7 K# }" o2 q8 G( l1 l7 p
    3 T% j1 L# l$ i( ^
    不在一起的原子钟,有基于卫星的、光纤的,等等方法进行比对
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  • TA的每日心情
    开心
    2020-9-28 03:33
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    [LV.4]金丹

    20#
    发表于 2020-7-28 11:41:34 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-28 10:29
    & P- \5 [8 I6 _: A' T1 K( v* r) w如果原子钟是放在一起的,可以本地直接比对,找出相互之间的差值,根据长期的数据,可以评估出各个单台原 ...
    + c9 x! h- ^  c! `
    像卫星上的原子钟,隔了几万公里,距离也不确定,真的好奇如何进行时间同步。
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