3维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE 被引量：12

1

作者 董烨 陈军 +10 位作者 杨温渊 赵强 夏芳 肖丽 马彦 廖丽 孙会芳 董志伟 周海京 陈虹 莫则尧 《强激光与粒子束》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第6期1607-1615,共9页

介绍了自主编制的3维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE的基本情况。该程序具备对多种典型高功率微波源器件的3维模拟能力,可以在数百乃至上千个CPU上稳定运行。该程序使用时域有限差分(FDTD)方法更新计算电磁场,采用Buneman-Boris... 介绍了自主编制的3维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE的基本情况。该程序具备对多种典型高功率微波源器件的3维模拟能力,可以在数百乃至上千个CPU上稳定运行。该程序使用时域有限差分(FDTD)方法更新计算电磁场,采用Buneman-Boris算法更新粒子运动状态,运用质点网格法(PIC)处理粒子与电磁场的耦合关系,最后利用Boris方法求解泊松方程对电场散度进行修正,以确保计算精度。该程序初步具备复杂几何结构建模能力,可以对典型高功率微波器件中常见的一些复杂结构,如任意边界形状的轴对称几何体、正交投影面几何体,慢波结构、耦合孔洞、金属线和曲面薄膜等进行几何建模。该程序将理想导体边界、外加波边界、粒子发射与吸收边界及完全匹配层边界等物理边界应用于几何边界上,实现了数值计算的封闭求解。最后以算例的形式,介绍了使用NEPTUNE程序对磁绝缘线振荡器、相对论返波管、虚阴极振荡器及相对论速调管等典型高功率微波源器件进行的模拟计算情况,验证了模拟计算结果的可靠性,同时给出了并行效率的分布情况。 展开更多

关键词 高功率微波 3维全电磁粒子模拟 大规模并行程序 NEPTUNE程序

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并行3维全电磁粒子模拟软件NEPTUNE的外加磁场模块设计 被引量：8

2

作者 董烨 杨温渊 +1 位作者 陈军 董志伟 《强激光与粒子束》 EI CAS CSCD 北大核心 2010年第3期664-670,共7页

介绍了3维全电磁粒子模拟软件NEPTUNE中常用外加磁场加载模块的设计思路和方法,包括简单的磁场分布方程和离散数值加载、螺线管磁场加载、直线及螺旋线磁场分布加载、摇摆器磁场加载以及永磁体磁场加载等方式。每一类磁场加载模式都进... 介绍了3维全电磁粒子模拟软件NEPTUNE中常用外加磁场加载模块的设计思路和方法,包括简单的磁场分布方程和离散数值加载、螺线管磁场加载、直线及螺旋线磁场分布加载、摇摆器磁场加载以及永磁体磁场加载等方式。每一类磁场加载模式都进行了实际算例的计算和验证,计算结果表明各类磁场加载模块设计的正确性和可靠性。最后针对具体应用,结合二极管电子束在不同外加引导磁场作用下的各种分布状态,间接验证了磁场模块设计的可行性。 展开更多

关键词 高功率微波 3维全电磁粒子模拟 外加磁场 NEPTUNE程序

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3维全电磁粒子模拟软件的外加波与粒子模块设计 被引量：5

3

作者 董烨 杨温渊 +2 位作者 董志伟 孙会芳 周海京 《强激光与粒子束》 EI CAS CSCD 北大核心 2009年第4期481-488,共8页

介绍了3维全电磁粒子模拟软件中外加波边界与粒子边界模块的设计思路和方法,其中外加波边界包括同轴波导、矩形波导、圆柱波导的电磁波输入和输出,以实际算例的形式计算了同轴波导TEM模、矩形波导TE10模、圆柱波导TM01模的传输特性;粒... 介绍了3维全电磁粒子模拟软件中外加波边界与粒子边界模块的设计思路和方法,其中外加波边界包括同轴波导、矩形波导、圆柱波导的电磁波输入和输出,以实际算例的形式计算了同轴波导TEM模、矩形波导TE10模、圆柱波导TM01模的传输特性;粒子边界包括粒子的发射与吸收。以实际算例的形式计算了一个用于MILO的同轴二极管爆炸发射模型,对其不同电压下的发射特性以及外加波注入功率进行了研究。研究发现:在外加波电压从低到高的情况下,电子先后表现为出了径向运动,轴向漂移和顺势流3个阶段的发射特性,符合物理规律。所得外加波传输的模式分布和粒子发射特性的计算结果分别验证了外加波和粒子发射模块设计的正确性和可靠性。 展开更多

关键词 高功率微波 3维全电磁粒子模拟 外加波边界 粒子边界

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S波段紧凑型相对论磁控管的模拟计算和分析

4

作者 姜山易 毛晓军 +4 位作者 吕朋杰 江云 蔡芳盛 陈子翀 尹蕊 《微波学报》 CSCD 北大核心 2024年第6期26-31,共6页

为了实现高功率微波器件的小型化,文中设计了一款在低磁场条件下高效率工作的S波段同轴输出的相对论磁控管。采用“荷叶型”输出结构直接提取高频场能量,使得器件在径向尺寸上结构更加紧凑,并在输入端引入阴极帽,进一步约束了高频场区... 为了实现高功率微波器件的小型化,文中设计了一款在低磁场条件下高效率工作的S波段同轴输出的相对论磁控管。采用“荷叶型”输出结构直接提取高频场能量,使得器件在径向尺寸上结构更加紧凑,并在输入端引入阴极帽,进一步约束了高频场区域的轴向漂移电子,使得高频场能量充分转换,从而获得较高的输出功率及转换效率,同时增强了器件工作的稳定性。在全电磁粒子模拟软件CHIPIC中建立三维模型,分析了不同尺寸的“荷叶型”输出结构对磁控管输出性能的影响。经优化设计后,模拟仿真结果显示,该相对论磁控管在工作电压180 kV,外加磁场0.27 T的条件下,具有200 MW的输出功率和44.3%的功率转换效率,其工作频率为2.425 GHz,输出模式为TEM模。 展开更多

关键词 高功率微波 相对论磁控管 “荷叶型”输出结构 TEM模式 全电磁粒子模拟

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用于三维全电磁粒子模拟的电荷守恒共形发射技术 被引量：4

5

作者 王玥 陈再高 王建国 《强激光与粒子束》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第3期98-102,共5页

给出了满足电荷守恒的共形发射技术。首先阴极表面由三角网格共形描述,发射带电粒子时,根据电荷和电流线性分配方式和离散高斯定律,带电粒子的初始位置设置在与三角面元处于同一个网格元胞内,离三角面元最近且处于金属内部的网格点上。... 给出了满足电荷守恒的共形发射技术。首先阴极表面由三角网格共形描述,发射带电粒子时,根据电荷和电流线性分配方式和离散高斯定律,带电粒子的初始位置设置在与三角面元处于同一个网格元胞内,离三角面元最近且处于金属内部的网格点上。带电粒子的初始运动由两部分组成:一是由三角面上的法向场推进所产生的运动;二是使发射粒子在阴极面上分布呈随机性而设定的随机运动。运动产生的电流按照电荷守恒定律分配到离散网格中,并且由于粒子的初始位置设置在整网格点上,带电粒子的共形发射不会产生非物理的静电累加。最后通过同轴二极管模型来验证共形发射模型的正确性。 展开更多

关键词 电荷守恒 共形发射 全电磁粒子模拟 时域有限差分 Delaunay三角网格剖分

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新型低阻抗同轴慢波器件模拟研究 被引量：2

6

作者 孙会芳 董志伟 《强激光与粒子束》 EI CAS CSCD 北大核心 2010年第3期618-620,共3页

提出一种新型的低阻抗同轴慢波器件,它利用阳极金属网将二极管区与波束互作用区分开,并在波束互作用区采用内外双盘荷波导慢波结构以提高波束互作用效率。利用全电磁粒子模拟软件进行优化设计,结果表明:在输入电功率100 GW、电流95.4 k... 提出一种新型的低阻抗同轴慢波器件,它利用阳极金属网将二极管区与波束互作用区分开,并在波束互作用区采用内外双盘荷波导慢波结构以提高波束互作用效率。利用全电磁粒子模拟软件进行优化设计,结果表明:在输入电功率100 GW、电流95.4 kA的条件下,同轴慢波器件可在L波段获得23 GW的平均输出功率,功率转换效率达到23%。该器件无需外加磁场,结构简单,小型轻便。同时还对阳极金属网的温升状况进行了简单的估算。 展开更多

关键词 同轴慢波器件 波束互作用 金属网 双慢波结构 全电磁粒子模拟

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四腔阶梯阴极L波段MILO数值模拟

7

作者 秦奋 范植开 +1 位作者 王冬 陈代兵 《信息与电子工程》 2009年第4期281-284,共4页

为了提高器件微波输出功率和功率转换效率,设计了一种四腔结构L波段阶梯阴极磁绝缘线振荡器,运用开放腔高频分析方法得到了谐振频率和高频电场分布,并计算得到了器件的有载品质因数。运用粒子模拟方法对器件进行研究,典型的粒子模拟结果... 为了提高器件微波输出功率和功率转换效率,设计了一种四腔结构L波段阶梯阴极磁绝缘线振荡器,运用开放腔高频分析方法得到了谐振频率和高频电场分布,并计算得到了器件的有载品质因数。运用粒子模拟方法对器件进行研究,典型的粒子模拟结果为:在束压为578kV和束流为46.5kA条件下,得到功率为5.1GW的微波输出,工作频率为1.21GHz,功率转换效率为18.9%。最后讨论了电压变化对器件的功率转换效率和频率的影响:器件工作频率受电压变化影响较小;功率转换效率受电压影响较大,在电压为667kV时效率达到最大值20.45%。 展开更多

关键词 磁绝缘线振荡器 高功率微波 束波作用效率 开放腔 全电磁粒子模拟

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金属双边二次电子倍增的理论分析与数值模拟 被引量：9

8

作者 董烨 董志伟 杨温渊 《强激光与粒子束》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第2期454-462,共9页

针对金属双边二次电子倍增现象,分析给出了电子共振方程、共振相位、相位聚焦条件以及碰撞电势;并根据二次电子发射的材料特性,研究了金属双边二次电子倍增的敏感区间。利用蒙特卡罗方法抽样选取电子初始发射能量和角度,数值研究了二次... 针对金属双边二次电子倍增现象,分析给出了电子共振方程、共振相位、相位聚焦条件以及碰撞电势;并根据二次电子发射的材料特性,研究了金属双边二次电子倍增的敏感区间。利用蒙特卡罗方法抽样选取电子初始发射能量和角度,数值研究了二次电子倍增的敏感区间,并与理论结果进行了比对,给出了二次电子数目随时间的增长关系。利用材料二次发射特性的经验公式,辅以电子碰撞角和碰撞能量计算以及对二次电子初始能量和发射角度的蒙特卡罗随机抽样算法,编制了3维全电磁粒子模拟程序NEPTUNE的金属边界二次电子发射功能模块,模拟金属双平板二次电子倍增过程,获得了二次电子倍增物理图像、二次电子数目随时间演化规律等结果。模拟结果不仅验证了理论分析,还表明在合适的条件下,空间电荷限制作用将导致二次电子倍增的饱和。 展开更多

关键词 高功率微波 金属双边二次电子倍增 蒙特卡罗方法 3维全电磁粒子模拟程序

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磁绝缘线振荡器中模式竞争问题的数值模拟 被引量：5

9

作者 孙会芳 董志伟 杨郁林 《强激光与粒子束》 EI CAS CSCD 北大核心 2010年第2期303-306,共4页

为理解磁绝缘线振荡器(MILO)实验中频频出现的模式竞争问题,利用3维全电磁粒子模拟程序对C波段MILO的实验模型进行研究,探索各种非对称激励机制对产生微波模式的影响,结果显示:阴极电子随机发射、电压的慢上升前沿、较低的电压等因素都... 为理解磁绝缘线振荡器(MILO)实验中频频出现的模式竞争问题,利用3维全电磁粒子模拟程序对C波段MILO的实验模型进行研究,探索各种非对称激励机制对产生微波模式的影响,结果显示:阴极电子随机发射、电压的慢上升前沿、较低的电压等因素都可导致非对称高阶模式的产生,并使输出微波功率大大降低。模拟计算得出MILO中存在频率为3.6 GHz左右的基模和频率分别为3.7,4.1,4.6 GHz左右的3种高阶模式,与Karat计算结果基本一致。 展开更多

关键词 3维全电磁粒子模拟程序 磁绝缘线振荡器 高阶模 非对称激励 模式竞争

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复杂结构共形全电磁粒子模拟技术研究进展

10

作者 陈再高 唐泽华 《电波科学学报》 CSCD 北大核心 2024年第5期808-817,共10页

全电磁粒子模拟方法可准确模拟强电磁场与电子束之间的非线性相互作用,被广泛应用于真空电子器件的数值模拟研究及参数的优化设计。传统全电磁粒子模拟方法采用电磁场时域有限差分(finite-difference time-domain,FDTD)方法计算器件内... 全电磁粒子模拟方法可准确模拟强电磁场与电子束之间的非线性相互作用,被广泛应用于真空电子器件的数值模拟研究及参数的优化设计。传统全电磁粒子模拟方法采用电磁场时域有限差分(finite-difference time-domain,FDTD)方法计算器件内电磁场随时间的变化,但FDTD方法采用正六面体单元的结构网格,会带来阶梯误差;电磁场时域有限元(finite-element time-domain,FETD)方法采用非结构网格能准确描述复杂模型,可用于复杂结构的电磁场数值模拟,但需求解大型逆矩阵,无法适用于电大尺寸结构的数值模拟。为准确模拟复杂真空电子器件内电磁场与电子束之间的非线性相互作用,国内外学者在复杂结构共形全电磁粒子模拟技术方面取得了突破性研究进展,实现了基于共形FDTD方法的全电磁粒子模拟技术,开展了基于FETD方法的全电磁粒子模拟技术研究,并研制了数值模拟软件。为促进国内复杂结构共形全电磁粒子模拟技术研究及应用,本文首先对基于共形FDTD方法的全电磁粒子模拟技术研究中的关键技术进行了详细介绍,包括共形结构网格生成技术、电磁场共形FDTD技术、共形电子束发射技术;然后对基于FETD方法的全电磁粒子模拟技术中的关键技术进行了详细介绍,包括所采用的基函数、电磁场方程的求解、计算过程中满足的电荷守恒和高斯守恒定律;同时给出了两种模拟技术对典型真空电子器件的模拟结果。 展开更多

关键词 等离子体模拟 共形时域有限差分(FDTD) 时域有限元方法 全电磁粒子模拟方法 真空电子器件

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时域间断伽辽金-粒子模拟方法研究进展

11

作者 陈再高 齐红新 +1 位作者 李炎培 任泽平 《电波科学学报》 CSCD 北大核心 2024年第5期818-826,共9页

时域间断伽辽金-粒子模拟(discontinuous Galerkin time-domain particle-in-cell,DGTD-PIC)方法采用非结构网格能准确描述复杂结构,采用高阶基函数进一步提高了计算的精度,同时避免了求解大型逆矩阵,在等离子体和高功率电磁学相关数值... 时域间断伽辽金-粒子模拟(discontinuous Galerkin time-domain particle-in-cell,DGTD-PIC)方法采用非结构网格能准确描述复杂结构,采用高阶基函数进一步提高了计算的精度,同时避免了求解大型逆矩阵,在等离子体和高功率电磁学相关数值模拟方面具有广泛的用途。近年来国内外报道了大量DGTD-PIC方面的研究工作,该方法在核心关键技术方面已取得了许多突破性进展。为促进DGTD-PIC方法的发展及应用,本文对该方法在修正势的DGTD电磁场计算方法、复频移完全匹配层边界、非结构网格中带电粒子定位与电荷和电流分配等关键技术方面所取得的研究成果进行了详细介绍。 展开更多

关键词 等离子体模拟 时域间断伽辽金(DGTD)方法 有限元方法 全电磁粒子模拟算法 真空电子器件

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磁绝缘线振荡器阴极释气电离粒子模拟 被引量：4

12

作者 董志伟 孙会芳 +4 位作者 杨郁林 杨温渊 周前红 张芳 董烨 《强激光与粒子束》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第3期114-119,共6页

阴极释气电离产生的击穿现象是限制磁绝缘线振荡器(MILO)工作性能的一个可能因素,也是限制其重频运行的主要障碍。利用三维全电磁粒子模拟程序对高功率微波器件MILO中阴极释气电离现象的物理建模技术以及实现三维自洽运算所需的粒子模... 阴极释气电离产生的击穿现象是限制磁绝缘线振荡器(MILO)工作性能的一个可能因素,也是限制其重频运行的主要障碍。利用三维全电磁粒子模拟程序对高功率微波器件MILO中阴极释气电离现象的物理建模技术以及实现三维自洽运算所需的粒子模拟技术进行了分析研究。对不同相对释气率的情况进行了模拟计算,模拟计算结果表明,当释气率超过一定阈值时,电离导致的等离子体会使微波输出功率迅速下降。 展开更多

关键词 磁绝缘线振动器 释气 电子碰撞激发 电离 全电磁粒子模拟程序

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0.22THz折叠波导行波管放大器理论分析与数值模拟 被引量：9

13

作者 董烨 董志伟 +1 位作者 杨温渊 陈军 《信息与电子工程》 2011年第3期313-319,共7页

为了解折叠波导行波管放大器的性能影响因素,在理论分析的基础上,对0.22 THz折叠波导行波管放大器进行系统的数值模拟与分析,重点讨论电子束压、束流、输入信号功率、结构周期数、材料电导率、引导磁场大小、电子能散度以及发射度对器... 为了解折叠波导行波管放大器的性能影响因素,在理论分析的基础上,对0.22 THz折叠波导行波管放大器进行系统的数值模拟与分析,重点讨论电子束压、束流、输入信号功率、结构周期数、材料电导率、引导磁场大小、电子能散度以及发射度对器件输出功率水平的影响。发现束压存在最佳工作范围,增加束流可以有效提高器件增益;输入信号不宜过强,否则器件增益反而会下降;器件结构周期数存在一个最优范围,过多过少对器件性能都有影响;采用电导率高、表面光洁度高的金属材料,可以降低器壁损耗;引导磁场达到聚束要求即可,无需太高;尽可能控制电子的能散度和发射度,提高电子束质量可以提升器件性能。采用自编的三维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE,对0.22 THz折叠波导行波管放大器的性能进行了对比分析,给出了束波互作用过程的基本图像,并对器件输出端口反射所引发的自激振荡现象进行了重点分析。 展开更多

关键词 折叠波导行波管放大器 理论分析 数值模拟 三维全电磁粒子模拟程序

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用于太赫兹源粒子模拟的有限电导率模块研制 被引量：6

14

作者 董烨 董志伟 +3 位作者 杨温渊 张芳 陈军 周海京 《强激光与粒子束》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第6期1419-1426,共8页

针对THz频段微电真空器件波导壁面材料电导率及加工粗糙度引发损耗的模拟需求,研制了有限电导率模块,并将其添加进三维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE3D。介绍了有限电导率的时域有限差分显格式及时谐场近似解方法,针对上述方法... 针对THz频段微电真空器件波导壁面材料电导率及加工粗糙度引发损耗的模拟需求,研制了有限电导率模块,并将其添加进三维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE3D。介绍了有限电导率的时域有限差分显格式及时谐场近似解方法,针对上述方法的优缺点,提出了基于扩散方程隐格式的有限电导率模块算法,该算法具备无条件稳定、普适性好的优点。利用矩波导常见电磁波模传输损耗算例,测试了自编的有限电导率模块,测试结果与理论值及同类商业电磁软件计算结果进行了比对,验证了模块的可靠性。利用添加有限电导率的三维全电磁粒子模拟程序NEPTUNE3D,模拟了材料电导率以及表面粗糙度对0.22THz折叠波导行波管性能的影响,模拟结果表明,材料电导率及表面粗糙度会显著降低器件输出功率和增益水平。综合色散关系、耦合阻抗、衰减常数等因素,给出了器件结构参数设计建议,并指出:通过增加电子束流、注入信号功率以及慢波结构周期数目等方式可一定程度上提高器件输出功率水平。 展开更多

关键词 高功率微波 三维全电磁粒子模拟 有限电导率 表面粗糙度 太赫兹折叠波导行波管

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能散度与发射度模块在太赫兹FWTWT模拟中的应用 被引量：1

15

作者 董烨 董志伟 +2 位作者 杨温渊 张芳 周海京 《太赫兹科学与电子信息学报》 2013年第5期664-669,共6页

研制了三维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE3D的能散度和发射度模块,主要用于评估电子出射速度和方向分布对太赫兹折叠波导行波管(FWTWT)性能的影响。将能散度和发射度模块应用到0.22 THz的FWTWT器件粒子模拟中,结果表明:能散度主... 研制了三维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE3D的能散度和发射度模块,主要用于评估电子出射速度和方向分布对太赫兹折叠波导行波管(FWTWT)性能的影响。将能散度和发射度模块应用到0.22 THz的FWTWT器件粒子模拟中,结果表明:能散度主要通过改变器件束压范围,使其偏离束波互作用共振电压范围,导致器件性能下降;发射度反映电子发射角的发散,同时影响纵向与横向电子速度,电子横向速度的增加导致其更易碰撞通道内壁,使电子总数下降,导致器件性能下降;若束压保持不变,电子横向速度的增加势必导致轴向速度的减小,破坏束波同步条件,导致器件性能进一步下降。 展开更多

关键词 三维全电磁粒子模拟 能散度与发射度模块 太赫兹折叠波导行波管 大规模并行计算

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有限电导率模块在THz折叠波导行波管模拟中的验证和确认

16

作者 董烨 董志伟 +2 位作者 杨温渊 张芳 周海京 《强激光与粒子束》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第5期196-200,共5页

采用与同类商业软件比对的方法，在THz折叠波导行波管算例中对自编NEPTUNE3D程序的有限电导率模块进行有效验证和确认，包括冷腔损耗与计及损耗的热腔增益。比对结果表明：冷腔损耗计算相对误差在3％～4％左右，计及损耗的热腔最佳增益... 采用与同类商业软件比对的方法，在THz折叠波导行波管算例中对自编NEPTUNE3D程序的有限电导率模块进行有效验证和确认，包括冷腔损耗与计及损耗的热腔增益。比对结果表明：冷腔损耗计算相对误差在3％～4％左右，计及损耗的热腔最佳增益相对误差及最佳工作电压漂移相对误差均在2％左右。通过不同软件、冷腔损耗与热腔增益的比对，验证了有限电导率模块正确性和可靠性。此外，还对加工因素导致结构参数变化对冷腔损耗特性影响，做了规律性讨论。 展开更多

关键词 有限电导率模块 三维全电磁粒子模拟 太赫兹折叠波导行波管 验证与确认

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