DE3117594A1 - Dichtungsvorrichtung fuer eine linear bewegbare antriebsachse - Google Patents

Dichtungsvorrichtung fuer eine linear bewegbare antriebsachse

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Description

Beschreibung
In vielen mechanischen Anwendungsfällen, in denen lineare Bewegungen, d.h. Hin- und Herbewegungen erforderlich sind, werden linear bzw. geradlinig bewegbare Antriebsachsen verwendet. Derartige Antriebsachsen werden von unterschiedlichen Antrieben bewegt, beispielsweise durch hydraulischen Druck gegen einen unter Federdruck stehenden Kolben. Andere lineare . Antriebe sind Solenoide, Pendelstangen und Nockenanordnungen. In einfachen Systemen kön- -JO nen linear zu bewegende Antriebsachsen auch von Hand betätigt werden.
Ein wesentlicher Nachteil von linear bzw. geradlinig zu bewegenden Antriebsachsen besteht darin, daß ihre Abdich-
-J5 tung schwierig ist. Soll eine derartige Antriebsachse in einer ver-schmutzungsfreien oder evakuierten Umgebung arbeiten, ist es häufig nicht sinnvoll, den Antrieb innerhalb der Arbeitskammer anzuordnen, weil dieser entweder sperrig ist oder weil er selbst eine Verschmutzungsquelle darstellt. In solchen Fällen ist es erforderlich, die Antriebsachse an ihrer Eintrittsstelle in die Arbeitskammer abzudichten. Das Abdichten von gleitenden Achsen ist schwierig. Ein übliches Verfahren hierzu besteht darin, die Achse mit einer eng sitzenden Buchse zu umgeben und dann den Ringraum zwischen Achse und Buchse mit einem
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Schmiermittel hoher Dichte zu füllen. Diese Lösung ist häufig unpraktisch bei evakuierten Arbeitskammern und auch in anderen Anwendungsfällen wenig zufriedenstellend, da das Schmiermittel häufig infolge der Hin- und Herbewegung aus dem Ringraum zwischen Buchse und Achse herausgedrückt wird.
Eine Verbesserung einer entsprechenden Abdichtung ergibt sich durch den Einsatz eines magnetischen Fluids in Verbindung mit einer magnetisierten Achse und einer magnetisch permeablen Buchse bzw. einer magnetisierten Buchse und einer magnetisch permeablen Achse. Obwohl dadurch die Dichtung, inc!?"condere in evakuierten Systemen, verbessert wird, ergibt sich die Schwierigkeit, daß Schmiermittel aus dem Ringraum zwischen Buchse und Achse herauswandern kann.
Besonders deutlich ergibt sich das erläuterte Dichtungsproblem dann, wenn geradlinig bewegbare Antriebsachsen bei der Herstellung von hochqualitativen, halbleitenden, piezoelektrischen und/oder optischen Kristallen eingesetzt werden. Solche Kristalle werden üblicherweise durch langsames Herausbewegen eines Kristallkeims aus einer übersättigten Schmelze geformt. Bei der Herstellung derartiger Kristalle ist es wichtig, daß der Kristallkeim in gesteuerter Weise herausbewegt wird, um ein kontinuier-
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liches Wachsen mit geordneter Kristallgitterstnuktur sicherzustellen. Es ist auch wesentlich, daß das Kristallziehen in einem verschmutzungsfreien Hochvakuum stattfindet, so daß die gebildeten Kristalle höchste Reinheit haben.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Dichtungsvorrichtung, insbesondere im Zusammenhang mit einer Anordnung zum Ziehen von Kristallen aus einer übersättigten Schmelze zu schaffen, die auch bei längerem Einsatz eine -|0 zuverlässige Abdichtung sicherstellt.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich eine geradlinig, d.h. hin- und herbewegbare Antriebsachse von ihrem Antrieb dadurch trennen und abdichten läßt, daß man die geradlinige Bewegung des Antriebs, etwa einer hydraulischen Betätigungseinrichtung oder eines Solenoids, in eine Drehbewegung eines Zylinderelementes umwandelt, das von einem Gehäuse umgeben ist, das einen Teil des verschmutzungsfreien Behälters darstellt, und das man den Raum zwischen Zylinderkörper und Gehäuse mit einer Magnetdichtung abdichtet. Die Drehbewegung des Zylinderkörpers kann dann durch eine verschmutzungsfreie Einrichtung innerhalb des Behälters, die mit dem innerhalb des Behälters liegenden Bereich des Zylinderkörpers verbunden ist, wieder in eine geradlinige Bewegung umge-
ι ι / o 3
- 1 umwandelt werden. —4 "
Ein Dehantrieb, etwa ein Schrittmotor, kann als Antrieb für eine abgedichtete, geradlinig bewegbare Antriebsachse dienen, indem er einen drehbaren Zylinderkörper, der sich durch das einen Teil des Behälters bildende Gehäuse erstreckt, dreht, wobei der Raum zwischen Zylinderkörper und Gehäuse durch eine Magnetdichtung abgedichtet ist. Die Drehbewegung des abgedichteten Bereichs des Zylinderkörpers kann dann ohne Verschmutzungen infolge des Antriebs innerhalb des Behälters in eine geradlinige Bewegung umgewandelt werden.
Die Erfindung eignet sich besonders für evakuierte Behälter, in denen unter Aufrechterhaltung eines Vakuums ein Werkstück geradlinig bewegt werden muß, etwa für evakuierte Zerstäuberkammern zur Bewegung der Elektronenquelle, des Targets oder des Werkstückes in genauer Ausrichtung für eine kathodische Ablagerung. Ferner kann sie bei Vakuumsystemen benutzt werden, bei denen ein Werk—
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stück von einer beispielsweise auf 10 Torr vorevakuierten Kammer in eine stark evakuierte Kammer mit einem Vakuum von 10 Torr oder weniger bewegt werden soll. Hierzu werden zur Zeit üblicherweise Kettentriebe eingesetzt, die zu erheblichen Vakuumverlusten führen.
-JA--
•Insbesondere ist die Erfindung zum Einsatz bei den Herstellung von hochqualitativen, halbleitenden Kristallen, etwa Silicium und Germanium, von piezoelektrischen Kristallen, etwa Quarzen, und von optischen Kristallen, etwa Korund geeignet. Bei der Herstellung derartiger Kristalle wird die Bildung einen geordneten Kristallgitterstruktur durch gesteuerte Bewegung des Kristalls aus der Schmelze sichergestellt. Durch die Erfindung wird ein derartiges Kristallziehen durch Handbetrieb oder mit einem Schrittmotor ermöglicht, ohne daß Verschmutzungen in das Kristallisationsgefäß gelangen.
Es hat sich gezeigt, daß sich eine wirksame Abdichtung einer linearen Betätigungseinrichtung dadurch erreichen läßt, daß man die geradlinige Bewegung in eine Drehbewe-
-| 5 gung umwandelt und eine mehrstufige Magnetdichtung mit magnetischem Fluid einsetzt, die den Raum zwischen dem sich drehenden Element und einem Gehäuse oder einer Buchse abdichtet. Eine derartige Magnetdichtung ist beispielsweise in der DE-OS 20 34 213 bzw. der US-PS 3 620 584 beschrieben, auf die hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird. Eine mehrstufige Dichtung dieser Art ist eine solche, bei der ein einziger Magnet benutzt wird, um eine Folge von-magnetischen Fluiddichtungen auszubilden.
Ein Vorteil von mehrstufigen Dichtungen im Vakuum oder
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unter Druck besteht darin, daß jede Stufe als Entlastungsventil wirkt und eine gewisse Druckanhebung oder -absenkung hervorruft. Wenn im Betrieb mehrere Stufen in Reihe angeordnet sind, bewirken sie die Druckanhebung und erneute Abdichtung in der gewünschten Weise, so daß die Zwischenräume unter Druck gelangen, bis jede Stufe gerade ihren Abdichtdruck aufnimmt. Die Druckaufnahmekapazität jeder Stufe ist kumulativ, so daß die Dichtung nur derart aufgebaut zu sein braucht, daß die Betriebsdruckdifferenz geringer ist, als die Summe aller Abdicht- bzw. Wiederabdichtdrücke. Somit ergeben sich immer zusätzliche Stufen, die betriebsbereit bleiben und einen Durchtritt durch die Dichtung verhindern.
Es lassen sich unterschiedliche Einrichtungen zur Umsetzung der geradlinigen Bewegung in eine Drehbewegung
sowie der Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung verwenden. Eine Möglichkeit besteht im Einsatz einer Schraubenspindel, bei der auf der Antriebsachse ein Flachgewinde oder ein Trapezgewinde ausgebildet ist, das in Eingriff mit einem entsprechenden Innengewinde im drehbaren 20
Element steht. In einer anderen Ausgestaltung kann das drehbare Element aus einer Buchse bestehen, die in der Mitte abgedichtet ist, um axiale Wanderungen von Verschmutzungen zu vermeiden, und an deren Enden jeweils
eine Mutter befestigt ist, die das Gewinde von Achsab-25
schnitten aufnimmt. Ferner kann die geradlinige Bewegung
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-Al -
mittels eines Zahngesperres in eine Drehbewegung umgewandelt werden, wobei eine hin- und herbewegbare Klinke in Eingriff mit den Zähnen eines Klinkrades kommt, um dies zu drehen, oder bei der eine umgekehrte Anordnung vorgesehen ist. Darüber hinaus kann auch eine Nocken-Stößel-Anordnung eingesetzt werden, bei der die Drehbewegung des exzentrischen Nockens eine geradlinige Bewegung des Stößels bewirkt.
In den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen können ohne weiteres Abwandlungen vorgesehen werden. So können beispielsweise unterschiedlichste Arten von Lagern eingesetzt werden, um den Ringspalt zwischen den Polstücken und dem Zylinderelement aufrechtzuerhalten. Ferner sind dem Fachmann unterschiedliche Anschläge und -J5 Schlüsselöffnungen bekannt, mit denen sichergestellt werden kann, daß sich das zylindrische Element und die Antriebsachsenabschnitte nicht drehen. Darüber hinaus läßt sich die Erfindung überall dort einsetzen, wo Abdichtungen in Zusammenhang mit linearen Betätigungseinrichtungen erforderlich sind.
Die Anzahl der Stufen der Magnetdichtung kann in Abhängigkeit von der Druckdifferenz der Antriebs-Umgebung und der abgedichteten Umgebung gewählt werden. Jede Stufe nimmt eine Druckdifferenz proportional zur Stärke des Magnetfei-
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des über dem Spalt und der magnetischen Sättigung des Fluids auf. Ferner kann der zu beschreibende Magnetmodul mit Gehäuse und magnetisch permeablen Drehelement durch einen Magnetmodul im drehbaren Element ersetzen, der mit einem magnetisch permeablen Gehäuse arbeitet.
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Es sei erwähnt, daß in dem nachstehend zu beschreibenden Ausführungsbeispiel 2 identische Schraubenspindel zur Umwandlung von geradliniger Bewegung in Drehbewegung und von Drehbewegung in geradlinige Bewegung benutzt werden.
Auf diese Weise ist die Bewegung der Ausgangsantriebsachse gleich der Bewegung der Eingangsantriebsachse. Die Bewegung der Ausgangsantriebsachse kann jedoch gegenüber der Bewegung der Eingangsantriebsachse verstärkt oder verringert werden, indem die Steigung der Gewinde dieser Achsen einschließlich der zugehörigen Innengewinde im Zylimderkörper unterschiedlich ausgebildet werden. Durch entsprechende Wahl der Gewindesteigungen kann dadurch beispielsweise erreicht werden, daß eine geradlinige Bewegung der Eingangsantriebsachse von 1 cm zu einer Bewegung der Ausgangsantriebsachse von 2 cm führt.
Figur 1 zeigt chematisch einen Teilschnitt durch eine Dichtungsvorrichtung für eine geradlinig bewegbare Antriebsachse.
Figur 2 zeigt schematisch einen Teil-Querschnitt durch
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ein anderes Ausführungsbeispiel einer Dichtungsvorrichtung zur Verwendung in Zusammenhang mit dem Ziehen von Kristallen.
Die in Figur 1 dargestellte Dichtungsvorrichtung 10 weist eine Durchführungsanordnung mit einem Gehäuse 24 auf, das gleichzeitig die Grenze zwischen dem nicht dargestellten Antrieb und der abgedichteten Umgebung bildet.
Die Eingangsachse 12 ist mit ihrem einen Ende mit einem nicht gezeigten Antrieb zur Erzeugung einer geradlinigen Bewegung verbunden und weist am anderen Ende ein voi— stehendes Flachgewinde 14 auf. Das Gewinde 14 steht in Eingriff mit dem Innengewinde einer an einem Ende eines Zylinderkörpers 16 vorgesehenen Bohrung. Am anderen Ende -J5 des Zylinderkörpers 16 ist eine Bohrung 26 mit Innengewinde vorhanden, die den Gewindeabschnitt 30 des getrennten Antriebsachsenabschnittes 28 aufnimmt. Die Bohrungen 18 und 26 sind nicht miteinander verbunden.
Der Bereich des Zylinderkörpers 16, der den getrennten Achsenabschnitt 28 aufnimmt, ist durch eine Magneteinheit bzw. einen Magnetmodul, die bzw. der sich im Gehäuse 24 befindet, abgedichtet. Dieser Modul hat einen ringförmigen, in axialer Richtung magnetisierten Magneten 20 und an beiden Seiten des Magneten 20 angeordnete, ringförmige
Polstücke 22. Jsdes der Polstücke 22 weist zwei sich nach innen, also radial erstreckende Bereiche auf, die jeweils einen schmalen Spalt zwischen Polstück 22 und Zylinderkörper 16 bilden. Jeder dieser Spalte ist mit einem magnetischen Fluid oder einem Ferrofluid 52 gefüllt, um so vier getrennte O-ringartige Fluiddichtungen zu bilden. Lager 38 trennen eine lineare Bewegung des Zylinderkörpers 16 und halten eine konstante Spaltbreite zwischen den Polstücken 22 und dem Zylinderkörper 16 aufrecht.
'® Jeder Achsenabschnitt 12, 28 hat einen Anschlag 32 zur Verhinderung einer weiteren Verlagerung des Achsenabschnittes, sowie Schlüsselflächen 36, die in stationäre Schlüsselöffnungen 34 passen, um eine Drehung der Achsen
zu verhindern.
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Im Betrieb dreht der nicht dargestellte Linear-Antrieb den Eingangsachsenabschnitt 12 vorwärts oder rückwärts. Durch das Zusammenwirken von Gewinde 14 und Bohrung 18 wird der Zylinderkörper 16 in Abhängigkeit vom Antrieb
gedreht. Wenn sich der Zylinderkörper 16 dreht, wird der Achsabschnitt 28 nach Art einer Hin- und Herbewegung in die Bohrung 26 hinein und aus ihr heraus bewegt. Das Achselement 28 ist vom Inneren des Gehäuses 24 durch mehrere Stufen von magnetischem Fluid 52 getrennt, das
durch Magnetkraft in den Spalten zwischen den Polstücken
22 und dem Zylinder 16 gehalten wird.
Bei dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel 40 besteht der Antrieb aus einem sich drehenden Schrittmotor 42, und die Anordnung wird benutzt, um aus einer Schmelze 48 Kristalle 50 zu ziehen. Der Schrittmotor 42 ist mit einem Ende eines Zylinderkörpers 44 verbunden, der sich durch ein Gehäuse 24 erstreckt. Am anderen Ende des Zylinderkörpers 44 befindet sich eine Gewindebohrung 26, die den Gewindeabschnitt 30 einer Kristallziehachse 28 aufnimmt. Die Achse 28 ist mit einem Kristall 50 verbunden, der aus einer in einem Kristallisationsapparat 46 befindlichen Schmelze 48 gezogen wird. Ein Magnetmodul, ähnlich dem Magnetmodul gemäß Figur 1 umgibt den Zylinderkörper 44 und enthält einen Magneten 20 und Polstücke 22, die mehrere mit magnetischem Fluid 52 gefüllte Spalte bilden. Lager 38 halten das Gehäuse 24 und den Magnetmodul um den Zylinderkörper 44.
■ Im Betrieb wird im Kristallisationsapparat 46 eine übei— sättigte Schmelze 48 erzeugt, wobei sich der Kristallisationsapparat 46 in einer teilweise vom Gehäuse 24 gebildeten, verschmutzungsfreien Umgebung befindet. Das gewindefreie Ende der Achse 28 hat eine Kristallkeimanordnung, die zur Bildung eines Kristalls 50 in die Schmelze eihgetaucht wird. Der Schrittmotor 42 dreht den Zylinderkörper
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44, wodurch die Achse 28 infolge Zusammenwirkens von Gewinde 30 und Bohrung 26 nach oben gezogen wird. Auf diese Weise läßt sich mit dem Schrittmotor 42 die Kristallwachstumsrate steuern und eine geordnete Kristallgitterstruktur aufrechterhalten, während der Motor selbst gegenüber der den Kristall enthaltenden, verschmutzungsfreien Umgebung durch die mehrstufige Dichtung aus magnetischem Fluid 52, das durch Magnetkraft in den Spalten zwischen den Polstücken 22 und dem Zylinderkörper 44 gehalten wird, abgedichtet ist.
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L eeTs e i t e

Claims (10)

Ansprüche
1.} Dichtungsvorrichtung für eine linear bewegbare Antriebsachse zur Trennung der linear bewegbaren Achse von einem Antrieb gekennzeichnet durch eine mit dem Antrieb verbundene Eingangsantriebsachse zur Erzeugung einer linearen Bewegung, wobei die Eingangsantriebsachse mit einem Zylinderelemente gekoppelt ist, das durch die lineare Bewegung der Eingangsantriebsachse drehbar ist und das zumindest teilweise aus einem magnetisch permeablen Material besteht, durch ein das Zylinderelement umgebendes, zwischen sich und dem Zylinderelement einen Ringraum bildendes Gehäuse, durch eine getrennte Ausgangsantriebsachse, die zur Umwandlung der Drehbewegung des Zylinderelementes in eine lineare Bewegung mit dem Zylinderelement gekoppelt ist, durch eine mehrstufige Dichtung mit magnetischem Fluid zur Trennung der Ausgangsantriebsachse
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von der Eingangsantriebsachse, wobei die Dichtung einen im Gehäuse angeordneten, das Zylinderelement umgebenden, ringförmigen Permanentmagneten, ein oder mehrere magnetisch permeable Polstücke benachbart zum Magneten, die im Ringraum zwischen dem Gehäuse und dem Zylinderelement eine Anzahl von Spalten bilden, durch die sich der magnetische Fluß erstreckt, und ein magnetisches Fluid aufweist, das in den Spalten gehalten wird und so mehrere getrennte Dichtungsstufen bildet.
2. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsantriebsachse und die Ausgangsantriebsachse Gewinde aufweisen, die jeweils in an gegenüberliegenden Enden des Zylinderelementes vorgesehene Gewindebohrungen eingeschraubt sind, so daß eine Drehbewegung des Zylinderelementes infolge linearer Bewegung der Eingangsantriebsachse eine Bewegung der Ausgangsantriebsachse in die zugehörige Gewindebohrung hinein oder aus ihr heraus bewirkt.
3. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Eingangsantriebsachse und auf der Ausgangsantriebsachse Schlüsselflächen vorgesehen sind, die sich durch stationäre Schlüsselöffnun-
*V Si Sl T O /
J [ ί / J ^ Li
gen erstrecken und Drehbewegungen der Eingangsantriebsachse und der Ausgangsantriebsachse verhindern, und daß das Zylinderelement von eine lineare Bewegung verhindernden Anschlägen umgeben ist.
4. Dichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsantriebsachse mit einem Antrieb verbunden ist und daß sich die Ausgangsantriebsachse in eine durch die Magnetdichtung abgedichtete, verschmutzungsfreie Umgebung erstreckt.
5. Dichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung des Gewindes der Eingangsantriebsachse sich von der Steigung des Gewindes der Ausgangsantriebsachse unterscheidet.
6. Dichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis
5, dadurch gekennzeichnet, . daß die Gewinde auf der Eingangsantriebsachse und der Ausgangsantriebsachse über die übrige Oberfläche der Achsen hervorstehen.
7. Dichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
6, gekennzeichnet durch einem mit der Eingangsantriebsachse verbundenen Schrittmotor.
8. Dichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb ein
s^, .ι ^ γ- :- s-\ ξ
Λ-
Schrittmotor ist, und daß die verschmutzungsfreie Umgebung eine evakuierte Kammer ist.
9. Dichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für eine Einrichtung zum Ziehen von Kristallen aus einer verschmutzungsfreien, übersättigten Schmelze mit genau linearer Geschwindigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ausgangsantriebsachse in einen verschmutzungsfreien, evakuierten Raum, in dem sich die übersättigte Schmelze befindet, erstreckt und mit einer einen teilweise in die Schmelze eintauchbaren Kristall aufweisenden Kristallkeimanordnung verbunden ist.
10. Dichtungsvorrichtung für eine geradlinig bewegbare Antriebsachse in einer Einrichtung zum Ziehen von Kristallen aus einer verschmutzungsfreien, übersättigten Schmelze mit genau linearer Geschwindigkeit, gekennzeichnet durch einen verschmutzungsfreien Behälter, durch einen außerhalb des Behälters vorgesehenen Antriebsmotor, durch ein einen Teil des Behälters bildendes Gehäuse, durch ein sich durch das Gehäuse erstreckendes, drehbares Zylinderelement, das mit einem Ende mit dem außerhalb des Behälters befindlichen Antriebsmotors verbunden ist und dessen anderes Ende sich innerhalb des Behälters befindet, durch eine bewegbar mit dem im Inneren des Behälters befind-
lichen Ende des Zylinderelementes gekoppelte Ausgangsantriebsachse, durch eine teilweise in die in den Behälter einbringbare Schmelze eintauchbare Kristallkeimanordnung, die am freien Ende der Ausgangsantriebsachse befestigt ist, und durch eine Magnetdichtung zur Trennung des Antriebsmotors und anderer Verschmutzungsquellen vom Innenraum des Behälters, wobei die Magnetdichtung einen im Gehäuse angeordneten, das Zylinderelement umgebenden, ringfömigen Permanentmagneten, ein oder mehrere magnetisch permeable Polstücke benachbart zum Magneten, die im Ringraum zwischen dem Gehäuse und dem Zylinderelement eine Anzahl von Spalten bilden, durch die sich der magnetische Fluß erstreckt, und ein magnetisches Fluid aufweist, daß in den Spalten gehalten wird und so mehrere getrennte Dichtungsstufen bildet.
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