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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 5 p) W1 c- B' k. G

    ( r( Y0 S) B2 m! a' s' I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。5 o' o' F( H, O  K' ^! {

    - K- t( C4 C0 i' m3 l; k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。
    4 z, v. q. n0 h
    & t% K% N7 r1 L; ]/ }0 ?4 A$ V% c个头、模样大致如此,二十六公斤。1 H9 n  u* A! ^6 _8 e$ X
    : o4 j1 l  k/ S( L, }& q! P
    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。4 D/ R$ l% B, I* d$ v8 z7 |0 m
    % M1 o6 Q2 ^+ x
    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。
    ) u7 v2 @# X/ ?8 `! W8 Q/ q
    : T4 p. i0 h1 Q; E2 J6 h( l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?
    ' a1 n  C/ G% ^4 o# T+ H$ `; j4 [8 g% u" r& u5 `3 h
    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。8 B: w" A- `: R2 ]# i0 C
    ; d; ~  @* A$ P9 C! \* O& {. c8 ?
    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!
    , S- _2 z; T2 S' T; N7 Z' p' B# i% K. J/ U
    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。/ l8 e/ p2 U8 g- S! e* q
    / x) {4 B. T4 v
    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。
    ; w, p, K6 x/ p. h8 E6 d0 \: s& Z0 M2 T# T" T: x
    说些个大家可能百度不到的。
    % D5 _# w% g) P- k" y
    ( }# K) g% ?6 o3 w. A  \$ ^===前方高能===) ~( O, h$ J: [& u% H; \

    ! s& g2 T" i7 g* W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。
    & A% _- k' [# u, ~; T0 Q
    ! R9 p+ E8 L7 K" z+ V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 _8 ~  M- I3 O6 K+ \8 t
    $ z; A! M4 t5 K6 A  M& |+ u; ~* e7 [+ Z# T- w$ H
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    & q: J8 ?* h9 D. W! U  D; l
    ' w+ c$ B3 _' _  Q6 O( z+ ]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!, j$ t; d+ @2 p4 v
    . e* v& q9 l" |9 ?9 B
    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。
    + }- y7 Q! ~, Y# Z9 }& g& Y+ J( [! _: r+ O7 O% u! r
    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。4 ~. U% L0 L* C% [% f  O+ ?
    3 W' w5 H/ s. R7 C$ N) B7 B$ V: j
    1981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。" `! o0 ~, Q5 x
    1 U8 R0 a. A0 f- A, Q3 X9 @- `
    1986年,十的负十四次方。4 r9 I" x5 i! u! }
    # ~8 G9 E% _4 H1 ~4 h4 x1 p
    2003年,十的负十五次方。% s0 A$ v2 ?7 S4 [3 \- ?
    7 e  }8 \/ x2 S/ @) |3 G
    2017年,十的负十六次方。
    & F, K& `" s5 k0 ]& F4 c0 F) v$ \) n& O3 N1 t9 a2 j5 M. ~
    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。5 Q& V7 v0 K' ]! @% i/ H

    - b% e" L+ |, [。。。
    : A) W' S% o* |& i, q, ^5 j  u1 q; `% X' g$ k0 i; ~

    / g; N5 X2 ?* R6 Z2 q$ c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。
    3 L" Q1 T1 U) f# b7 `0 j) [( C3 d3 |* ?
    + J4 U/ D# V' w0 D

    ) c( s, r) L% D9 M" ]9 E

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  • TA的每日心情
    开心
    12 小时前
  • 签到天数: 3216 天

    [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。8 d5 U! ~; n. ~, Y+ \
    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: 3126 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
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      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
    2025-11-25 10:37
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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 ; w/ Q/ \, Z. w/ X$ n

    3 R3 }, ]# S/ D  n; }群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);$ E! p) o7 x) y' d% }( [, l! T( k
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    ' Z, S+ `8 l# m+ s" J( v5 z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
    17 小时前
  • 签到天数: 3674 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 18:455 v; A5 f" t7 D9 s. L
    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

    8 z# y0 x$ m- ^4 Q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。: ~: r* x: W6 Q" s& F
    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 22:33
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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 22:563 Y9 ]+ r) Q/ m! g
    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。
    : }7 M( |) j" J他 ...
    " i' i. q4 K  H1 o$ Q/ b; X
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好4 Q" A+ e9 J! O' k  r
    5071A好像这两年不好买了
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    开心
    12 小时前
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    [LV.Master]无

    11#
    发表于 2020-7-25 22:56:14 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-25 13:35
    & @1 @- p* H* |2 W短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    5 c6 Z+ {  [3 P# W8 j! S5071A好像这两年不好买了

    5 g& }6 |4 {7 p- J; f这个短稳长稳有出处嘛?6 u$ P# R# e1 K# z- R7 p1 D- {# N% p
    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~~5 R1 H: s+ b! a! t# E4 y6 U
    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 22:56
    " Z0 q( A4 ?% [5 P这个短稳长稳有出处嘛?
    2 o- ~& U( I( j; Q" H6 Y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 ...
    ! R: \! }+ F' @
      N" [  N5 u. E7 \  }6 P

    4 |: v- P' Z/ P/ z4 o3 a) h, Z没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图9 y& t, f2 W# K) D/ V& m  y. j
    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
    17 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 22:563 m9 Q. o/ A2 Z, f* G' H; j, B( Z- ?
    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。5 l* T0 n; o: ]+ B3 e, `' k
    他 ...

    # m$ _- }4 X2 }: R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
    3 X5 a: d) |! O& W: `" W1 S没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图* w5 d8 b- l! [/ g
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    % o( i9 d: G$ J  h: }7 S+ h0 E8 p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 M& d+ `2 @- k; K- T4 d
    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。
    2 p2 k+ k3 ]3 f2 F  A

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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% }, }! w6 ?* |5 d+ N4 Z
    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。
    / t1 _3 ~; G2 m3 ?  V. {冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    8 ]$ ~+ ?% N+ P( o1 h! z3 B) H2 }可能高端的铯钟做的更好一些吧- \2 ^3 ]8 W. X& Q7 k
    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
    . ~* D& i, @% E- M5 A! N& J1 @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
    . X& B/ H4 o' C+ `8 v" B( O安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    9 C* Z: ^" x( ]! \$ X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 11:332 ~- G1 z! @: F& v+ z) z6 q
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    / Q4 ^! f0 L1 d9 h) `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
    $ V% A/ K5 z& _4 g& v时间基准据说 ...

    ) x; E9 c! ?% D+ Z2 c: W/ ]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
      c& ?2 h, ?4 _7 }" [9 o7 `请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    6 ^; T0 ~2 C/ K/ e% H% ^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
    9 J  j# o6 {& V, Z4 V, h0 p$ [* L# T/ V' k% T
    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
    - f' x; W# P: y* d! J# 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 ...
    * c. l" S7 I/ n+ ?# S# B
    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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