对于辐射是不能感知的，因此人们必须借助于辐射探测器探测各种辐射，给出辐射的类型、强度(数量)、能量及时间等特性。即对辐射进行测量。 辐射探测器的定义：利用辐射在气体、液体或固体中引起的电离、激发效应或其它 物理、化学变化进行辐射探测的器件称为辐射探测器。 为什么需要辐射探测器？ 探测器按探测介质类型及作用机制主要分为： 气体探测器； 闪烁探测器； 半导体探测器。 辐射探测器学习要点（研究问题）： 探测器的工作机制； 探测器的输出回路与输出信号； 探测器的主要性能指标； 探测器的典型应用。 辐射探测的基本过程： 辐射粒子射入探测器的灵敏体积； 入射粒子通过电离、激发等效应而在探测器中沉积能量； 探测器通过各种机制将沉积能量转换成某种形式的输出信号。 第八章 气体探测器 Gas－filled Detector 电离损失——与核外电子的非弹性碰撞过程 入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑作用，使电子获得能量而引起原子的电离或 激发。 8.1 气体中离子与电子的运动规律 1、气体的电离与激发 入射粒子直接产生的离子对称为原电离。 初电离产生的高速电子足以使气体产生的电离称为次电离。 总电离= 原电离 次电离电离能W：带电粒子在气体中产生一电子离子对所需的平均能量。

对不同的气体，W大约为30eV 若入射粒子的能量为E0，当其能量全部损失在气体介质中时，产生的平均离子对 IonPairs Formed FanoFactor 离子对数N是随机变量. 它服从什么分布？ 法诺分布 离子对数的方差 过去实验测量不同气体的法诺因子介于1/3～1/2之间，但目前实际可以做到不大 于0.2。 C、光致电离 Cs原子的电离电位最低，3.88eV； 相应的光子波长为3184 ，在紫外区； 紫外光或能量更高的光才能产生光致电离。 介质中原子吸收一个光子，放出一个电子而电离。 紫外光子能量较低，光致电离产生的电子动能很低，一般不能再引起新的电离或激 上述两过程均在10-9秒内完成。亚稳态原子寿命较长，一般为10-2 辐射光子。发射波长接近紫外光的光子，这些光子又可能在周围介质中打出光电子，或被某些气体分子吸收而使分子离解。 亚稳态原子的退激。受激原子处于亚稳态，仅当它与其它粒子发生非弹性碰撞时才能退激。 2、电子与离子在气体中的运动 当不存在外加电场的情况下，电离产生的电子和正离子在气体中运动，并和气体 分子或原子不断地碰撞，处于平衡状态。其结果会发生以下物理过程： Diffusion； Electron Attachment； Recombination； 扩散(Diffusion)在气体中电离粒子的密度是不均匀的，原电离处密度大。

由于其密度梯度而造 成的离子、电子的定向运动叫扩散。 由气体动力学，可得到扩散方程： 电子的平均自由程和乱运动的平均速度都比离子的大，因此其扩散系数比离子的大，因而电子的扩散效应比离子的严重。 电子的吸附和负离子的形成电子在运动过程中与气体分子碰撞时可能被气体分子俘获，形成负离子，这种现象 称之为吸附效应。 Electron attachment Negativeion 例如O 气体探测器的工作气体应尽量选择吸附系数小的气体，在不得已采用时，将会影响探测器的性能。 复合(Recombination)有两个过程：电子与正离子，或负离子与正离子，相遇时可能复合成中性的原子 或分子。 Recombination 为复合系数复合的结果是把许多有用信号给复合掉，使有用的信号减少。因此，复合现象 在探测器正常工作中应尽量避免。 复合引起的离子对数目的损失率： 一旦形成了负离子，其运动速度远小于电子，正离子与负离子的复合系数要比 正离子与电子的复合系数大得多。 D.离子和电子在外加电场中的漂移 离子和电子除了与作热运动的气体分子碰撞而杂乱运动和因空间分布不均匀造 成的扩散运动外，还有由于外加电场的作用沿电场方向定向漂移。

这种运动称为“漂移运动”，定向运动的速度为“漂移速度”。 kTMv 对于离子：在存在电场的情况下，两次碰撞之间离子从电场获得的能量又会在碰撞中损失，离 子的能量积累不起来。离子的平均动能与没有电场的情况相似，为： 离子漂移速度 离子的迁移率可表示为： 对于自由电子：电子与气体分子发生弹性碰撞时，每次损失的能量很小，因此，电子在两次碰撞中 由外电场加速的能量可积累起来。直到使它的弹性碰撞能量损失和碰撞间从电场获 得的能量相等，或发生非弹性碰撞为止。 kT 电子的漂移速度与约化场强不成正比，可用函数表示：这个函数关系均由试验测定。一般给出的是实验曲线(如图8.2、8.3、8.4)。 电子漂移速度对气体成分很敏感，少量某种气体的混入就可显著提高电子漂 移速度。 (1)电子漂移速度一般为： 10离子漂移速度一般为： 10(2)电子的漂移速度对组成气体的组分极为灵敏 在单原子分子气体中（如卤素）加入少量多原子分子气体（如CO2、H2O 等）时，电子的漂移速度有很大的增加。 电子与离子在气体中在外电场作用下的漂移速度的主要区别为： E、电荷转移效应 正离子与中性的气体分子碰撞时，正离子与分子中的一个电子结合成中性分子，中 性气体分子成为正离子。

电荷转移效应在混合气体中比较明显。 电荷转移效应可以减小离子的迁移率，降低离子的漂移速度。 复合效应、电子吸附效应、电荷转移效应等，都不利于电荷收集。 3．气体放电 A、雪崩 电子在气体中的电离碰撞过程。 发生雪崩的阈值电场：ET ~106V/m。 能引起雪崩的其他因素：光子与气体和器壁作用，打出光电子，~10 7sec； 光电子又可以引起新的雪崩。 二次电子发射： 雪崩区产生的正离子经过~10 3sec到达器壁， 并可能在器壁上打出二次电子。 光子的作用： 雪崩形成大量的电离和大量的激发，~10 6sec 伴随着雪崩过程，退激产生大量的光子。二次电子又可以引起新的雪崩。 B、气体放大 自持雪崩： 通过光子的作用和二次电子发射，雪崩持续发展。 也叫自持放电。 非自持放电： 雪崩从产生到结束，只发生一次。 复合区II 饱和区III IV:有限正比区 G-M工作区VI: 连续放电区 8.2电离室的工作机制与输出回路 电离室的工作方式可分为： 累计型工作状态记录单个入射粒子的电离效应，处于这种工作状态的电离室称为：脉冲电离 1、电离室的基本结构不同类型的电离室在结构上基本相同. 典型结构有平板型和圆柱型。

高压极(K)：正高压或负高压； 均包括： 收集极(C)：与测量仪器相联的电极，处于与地接近的电位； 保护极(G)：又称保护环，处于与收集极相同的电位； 负载电阻(RL)：电流流过时形成电压信号。 高压极 收集极 保护极 高压负载电阻 外壳 灵敏体 绝缘子平板型电离室 圆柱型电离室灵敏体积： 由通过收集级边缘的电力线所包围的两电极间的区域。 保护环G的作用： 若无G，当高压很大时，会有电流通过绝缘子从负载电阻RL上通过气体探测仪，从而产生噪声，即绝缘子的漏电流。 气体压力：从10-1~10大气压。 2、工作气体 充满电离室内部空间，是电离室的工作介质； 如Ar 加少量多原子分子气体CH4。 需要保证气体的成分和压力，所以一般电离室均需要一个密封外壳将电极系统 包起来。 第一步：假设回路中没有负载电阻 3、输出信号产生的物理过程即电离室的工作机制。 第二步：在电离室内某一点引入一单位正电荷e+它将在两极板上分别感应出一定的负电荷，设分别为-q1、-q2 高斯定律： 第四步：当正电荷快到达极板的前一瞬间，-q1全部由a极板经外回路流到b极板，b极板上的感应电荷： 当e+到达b极板，e+与b极板上的感应电荷中和。

外回路电流结束，流过外回路的总电荷量为： 考虑：如果在电极之间引入的是负电荷，解释一下整个物理过程。产生的结果是否与正电荷有共同之处？ 正、负电荷的感应电流方向相同，在探测器内部从阳极流向阴极。电荷漂移过程结束，外回路感应电流消失。当负电荷被收集后，外回路中就只有正电荷的感应电流。 结论： e电荷漂移结束，流过外回路的总电荷量为e；该电荷量与这一对电荷的产生位置无关。 当入射粒子在探测器灵敏体积内产生N个离子对，它们均在外加电场作用下漂移，这时，产生的总电流信号是： 引伸结论： 输出回路的定义：输出信号电流所有流过的回路都包括在输出回路中。感应电荷在外回路上形成的电流，在负载电阻RL上形成电压，有信号输出； 测量仪器有内阻、电容； 探测器电容C1。 输出回路的简化过程： 4、电离室的输出回路 线路的杂散电容C′。 RL：负载电阻； C1 ：探测器电容； R入：测量仪器输入电 C入：测量仪器输入电容；：杂散电容； 电缆电容~100pF/m。 电离室处于脉冲工作状态，电离室的输出信号仅反映单个入射粒子的电离效应。可以测量每个入射粒子的能量、时间、强度等。 8.3 脉冲电离室 以下讨论假设入射离子在灵敏体积中产生N 个离子对，并忽略扩散和复合的影响， 而且在信号结束前，探测器灵敏体积内不再有其它入射粒子产生电离。

脉冲电离室的输出信号：电荷信号，电流信号，电压信号。 脉冲电离室的总输出电荷量1、脉冲电离室的输出信号 电离室灵敏体积内产生N个离子对并全部为极板收集后的总输出电荷量： 这一结果与极板形状、电场分布、输出回路参数无关。 脉冲电离室的输出电流信号相当于用输入阻抗极小的电流计测量电离室输出信号的情况。 下面来计算电流的大小：电源提供功率： 离子、电子在t时刻的空间位置空间位置； 正离子、电子在该点的场强场强； 正离子、电子在该点的漂移速度漂移速度。 求解得到t时刻流经外回路的电流 时刻，灵敏体积中有N+(t)个正离子和N –(t)个电子，则输出电流： 电离室的本征电流（IntrinsicCurrent） 以平板电离室为例， 设离子和电子的漂移速度是常数，并且电子的漂移速度是离子漂移速度的1000倍， t2为开始有正离子到达b极板的时间； 几个重要时刻： t1 为开始有电子到达a极板的时间； 为正离子全部到达b极板的时间。离子和电子的初始数目为： 采用一般的具有输入阻抗的测量装置，输出电压信号。总电阻 电源做的功率W(t)输出回路中消耗的功率 WO(t) 灵敏体积内电子和正离子在电场作用 下漂移所消耗的功率We(t) C1的储能发生变化(消耗功 率)WC1(t) 推导过程的物理基础： 灵敏体积内电子－正离子在电场下漂移所消耗的功率We(t)能量守恒 根据能量守恒： a极板的电位不再为常数而为V(t)电容C1的储能为 能量变化率为：dt 为电离室的本征电流。

把电离室看成理想的内阻无限大的电流源，但这是有条件的。而电荷源则是无条件的。 结论： 电离室可以用电流源I0(t)和C1并联等效。并可得到其输出回路的等效电路dt T+时间内dt Nedt 越小，h越大。为此须降低C工作在这种状态的电离室称之为离子脉冲电离室。 存在问题——输出电压脉冲宽度非常大(T＋是ms量级)，这样入射粒子的强度不能 太大，并且要求放大器电路频带非常宽，噪声大而非实用。 结论： 结论：工作于这种状态的电离室称为电子脉冲电离室。 存在问题：输出电压脉冲幅度h-与初始电离的位置有关，也就是Q -与初始电离位置 有关。 即Q－与第j个电子被收集时最终电位和最初产生处(初电离位置)电位之差有关。这样，电子脉冲电离室的输出电压脉冲幅度不仅与产生的离子对数有关，而且，与离 子对生成的位置有关。 电子或正离子漂移对输出电压脉冲信号的贡献，取决于电子或正离子扫过的电位差。 关于电离室输出电压信号的一些重要结论： 电子离子对一旦形成，立即就有输出电流信号；电压脉冲的上升时间为电流脉冲的持续时间。与R0C0有关。 电离室输出电流中包含快成分与慢成分，其比例与电子离子产生位置有关，导致电离室输出的电压脉冲为变前沿的脉冲，其上升时间涨落达10 3sec量级。

离子脉冲电离室存在问题——输出电压脉冲宽度非常大(T＋是ms量级)，这样入射 粒子的强度不能太大，并且要求放大器电路频带非常宽，噪声大而非实用。 电子脉冲电离室存在问题：输出电压脉冲幅度h-与初始电离的位置有关，也就是 Q—与初始电离位置有关。 2、圆柱型电子脉冲电离室和屏栅电离室 设计思想：利用圆柱形电场的特点来减少Q－与入射粒子位置的关系，达到利用“电子脉冲”来测量能量的目的。 距中心位置为r的场强： lnln lnln lnln 结论：选择足够大的b/a值，在r0较大时，h(r0)与r0之间的关系就不显著了。同时由于圆柱形的几何条件，r0小的区域只占很小的一部分体积，大部分入射粒子都在r0较 大处产生离子对。 注意：这种工作状态下，中央丝极必须是阳极。 对于大部分入射粒子而言，圆柱形电子脉冲电 离室的输出电压脉冲幅度均接近于 屏栅电离室（TheGridded Ion Chamber） 屏栅电离室的构成：负极B、正极A、栅极G、电源和负载电阻。（讲义图8.20） 屏栅电离室信号的形成过程离子对仅在B－G之间产生，要求入射粒子的射程R小于B－G之间的距离a；栅极由网栅 构成，要求栅极屏蔽完善。

合理选择电压分配及网栅的参数 ＝r/d，使电子和正离子在 B－G之间漂移时，仅在B，G极板上有感应电荷产生，并在B－G回路中流过电流i1；同 时电子在穿过栅极时，不被栅极所捕获。相当于N个电子先后在栅极上产生，然后，扫 过G－A电极；在输出回路上输出电压脉冲信号： 3、脉冲电离室输出信号的测量脉冲电离室的输出信号所包含的信息： 1）入射带电粒子的数量； 2）入射带电粒子的能量； 3）确定入射粒子间的时间关系。 通过对输出脉冲数进行测量。 通过对输出电压信号的幅度进行测量。 通过对输出电压信号的时间进行测量。 脉冲电离室的输出信号需要用电子仪器来测量。 气体 电离室 高压 前置 放大器 放大器 单道或多道 脉冲分析器 4、脉冲电离室的性能 脉冲幅度谱与能量分辨率脉冲电离室常用来测量带电粒子的能量。 对单能带电粒子，若其全部能量都损耗在灵敏体积内甲烷报警器，则脉冲电离室输出电压脉 冲的幅度反映了单个入射带电粒子能量的大小。 能量分辨率： FWHM 半宽度多道测量的脉冲幅度谱： dn dE dndh FWHM dndh 幅度平均值：标准偏差： 相对标准偏差： 且有：能量分辨率为： (1)能量分辨率反映了谱仪对不同入射粒子能量的分辨能力。

能量分辨率越小，则 可区分更小的能量差别。这是谱仪的最主要的指标。 关于能量分辨率的小结： (2)能量分辨率的公式是谱仪所达到的分辨率的极限和理论值。并可检验谱仪的性 综合考虑放大器放大倍数A的涨落，放大器噪声的影响，则电离室谱仪放大器输出信号的相对均方涨落为： 要使分析器道宽影响不超过1/100，FWHM内须不少于6～7道。幅度分析器的道宽对能量分辨率也有影响， 0.28FWHM 电离室的饱和特性曲线----脉冲幅度h与电离室工作电压V0的关系 影响因素：离子和电子的复合或扩散效应。 饱和特性曲线形成的物理过程： 饱和区斜率的原因：随工作电压的升高而使灵敏体积增加及负离子的释放。 电离室的坪特性曲线当输出脉冲幅度饱和后，计数率不再随工作电压而变化二氧化碳报警器，称坪特性曲线。 在入射粒子束流不变的情况下： 甄别阈h1>h2>h3 h1 h2 h3 入射粒子是单能的 探测效率粒子数 射入电离室灵敏体积的 记录下来的脉冲数 定义：原因：A 带电粒子可能只在灵敏体积内损失一部分能量；B 电离过程是涨落的。 这样必将有一部分幅度低于甄别阈的信号脉冲未被记录下来。 100% γ粒子等中性粒子则取决于与介质作用产生次级带电粒子的相互作用截面，以及次级带 电粒子能否进入灵敏体积。

对带电粒子 时间特性常用三种指标A：分辨时间 ——能分辨开两个相继入射粒子间的最小时间间隔。 主要取决于输出回路参数的选择和放大器的时间常数的大小。 ——入射粒子的入射时刻与输出脉冲产生的时间差。C：时间分辨本领——即由探测器输出脉冲来确定入射粒子入射时刻的精度。 当电离室的输出信号是反映大量入射粒子的平均电离效应时，称作电流工作状态 或累计工作状态。 此时电离室称作“累计电离室”或“电流电离室”。 恒定状态下，输出直流电流信号是： 设入射粒子在电离室灵敏体积内各处单位 时间、单位体积内恒定地产生 离子对。则在灵敏体积内单位时间的总离子对数为 8.4累计电离室 1、输出信号及其涨落 输出信号可以是直流电流(相当于回路中接入内阻极小的电流计，即RL 0)或直流电压(在输出回路上的积分电压)信号。 （1）输出信号输出直流电压信号 （2）输出信号的涨落假设，每一对离子产生后将立即使探测器产生一输出信号： 这样，在任一时刻t，探测器的总输出信号是此时刻以前在探测器内产生的各 个离子对所产生信号在此时的所取值的叠加。 间隔内入射粒子流在探测器内产生的离子对数。这些离子对的信号经过 时间到达t 时刻的信号为： 时刻的总信号St应当是t 以前( )产生的离子对在t时刻的信号的总和，即： 间隔内的n个入射粒子分别在探测器内产生的离子对 数Ni 的总和。

这样， M显然是由 n及N串级而成的串级型随机变量。 考虑到n遵守泊松分布： 产生的M是相互独立的。因此： St的平均值为： 下面分析St的相对均方涨落：由于独立随机变量和的方差是各方差的和。 从式子可以看出，粒子入射探测器后产生的离子对数N的涨落对于累计信号的相对均方涨落的影响很小。累计信号的相对均方涨落主要决定于入射粒子数的涨落。 当近似用宽度为T的矩形脉冲代表一对离子所产生的电流信号f( )，求输出电流信 号及其相对均方涨落。 则，输出电流信号平均值为：输出电流信号相对均方涨落为： 电流脉冲宽度要远大于入射粒子平均时间间隔 输出回路的时间常数要远大于入 射粒子平均时间间隔 ―脉冲电离室”与“累计电离室”仅是电离室的两种工作状态，由入射粒子流的强度及输出回路的时间常数决定。电离室结构并无本质差别。 结论：与脉冲电离室一样具有饱和特性曲线，一般工作于饱和区。还有一些特性不同 于脉冲电离室： 灵敏度入射粒子流的强度 输出的电流（电压）值 影响灵敏度的因素有电离室的结构、气体压力和组分、入射粒子的类型和能量等。2、电流电离室的主要性能 单位入射粒子流强度引起的电离室输出信号电流或电压幅度： 线性范围——一定工作电压下，输出信号的幅度与入射粒子流强度的保持线性关系的范围(一般用辐射强度的范围表示) 只要电离室工作在饱和区，则信号电流与入射粒子流强度一定成正比关系，即线性关系。

但是，当入射粒子流强度增大时，饱和电压将提高。一旦当入射粒子流强度大 到使饱和电压超过了原来选好的工作电压V0时，电离室将不再工作于饱和区，信号 电流将比预期值小。即出现非线性。 响应时间——反映当入射粒子流强度发生变化时，输出信号的变化规律。对电压信号气体探测仪，它跟随辐射强度变化的响应时间主要决定于电离室输出回路的时 间常数R0C0值。 对电流信号，其滞后时间将最大为离子收集时间T。T就是累计电离室电流信 号的响应时间。 能量响应即灵敏度随入射粒子能量而变化的关系。一般情况下，希望灵敏度与辐射能量无关，即相同的照射量率不因辐射能量 不同而造成不同的输出。 3、电流电离室的应用 累计电离室的应用比脉冲电离室更为广泛，特别是充入高压工作气体的累计 电离室，灵敏度高、性能稳定可靠、工作寿命长。 由于其具有十分良好的承受恶劣工作环境影响的能力，所以，在工业上可应 用于核辐射密度计、厚度计、料位计、水分计、核子秤等。 累计电离室还可应用于剂量测量、反应堆监测等方面。 8.5 正比计数器（Proportional Counters） 正比计数器中，利用碰撞电离将入射粒子直接产生的电离效应放大了，使得正比计 数器的输出信号幅度比脉冲电离室显著增大。

对直接电离效应放大的倍数称为“气体放大倍数”，以A表示，在一定的工作条件 下，A保持为常数。 正比计数器属于非自持放电的气体电离探测器。 1、正比计数器的工作原理 正比计数器的结构特点结构上必须满足实现碰撞电离的需要，而在强电场下才能实现碰撞电离。 在一个大气压下，电子在气体中的自由程约 10-3～10-4cm，气体的电离 电位～20eV。要使电子在一个自由程就达到电离电位，场强须>104V/cm。 为达到这一要求，一般采用非均匀电场，以圆柱型为主。 设计思想：利用圆柱形电场的特点在中央丝极附近会产生小范围的强电场区域。 距中心为r的场强： 实例：当V0＝1000V，a＝25m，b＝1cm时，在r＝0.02cm处，电场强度相当于临 界场强ET。 在r＝b时场强最小，r＝a时场强最大。cm 定义：对于一个确定的正比计数器，只有当工作电压V VT时，才工作于正比计数器工作 区，否则工作于电离室区。 VT 称为正比计数器的起始电压(阈 VT时，仅在r0～a 区间内发生碰撞电离。 一般r0很小，和a是同一量级，这样入射粒子在r0 内产生电离的可能性很小，可 以忽略。因此，在不同位置射入的入射粒子所产生的电离效应在正比计数器中都经受 同样的气体放大过程，都有同一个气体放大倍数。

正比计数器输出信号主要由正离子漂移贡献。 碰撞电离只有电子才能实现。 当电子到达距丝极一定距离r0 之后，通过碰撞电离过程，电子的数目不断增殖，这 个过程称为气体放大过程，又称电子雪崩(electron avalanche)。 碰撞电离与气体放大定义气体放大倍数： 近似认为电子的能量就是电子在两次碰撞间从电场获得的能量。可得到如下关系： 当电压足够高，即V0/VT>>1时气体探测仪， 气体放大过程中的光子作用——光子反馈在电子与气体分子的碰撞中，不仅能产生碰撞电离，同时也能产生碰撞激发。气 体分子在退激时会发出紫外光子，其能量一般大于阴极材料的表面逸出功，而在阴 极打出次电子。次电子可以在电场的加速发生碰撞电离。这个过程称为光子反馈。 定义：光子反馈概率 为每个到达阳极的电子通过光子反馈又在阴极打出一个 次电子的概率。 由于光子反馈，使得总放大倍数增加，为： 光子反馈的过程(10-9s)远快于电子的漂移过程(10-6s)，对信号的形成而言，在时间上是同时事件。 气体放大过程中正离子的作用离子漂移速度慢，在电子漂移、碰撞电离等过程中，可以认为正离子基本没动，形 成空间电荷，处于阳极丝附近，会影响附近区域的电场，使电场强度变弱，影响电子 雪崩过程的进行。

正离子漂移到达阴极，与阴极表面的感应电荷中和时有一定概率产生次电子，发 生新的电子雪崩过程，称为离子反馈；也可以通过加入少量多原子分子气体阻断离 子反馈。 2、正比计数器的输出信号 假定： 全部输出信号均为正离子由阳极表面向阴极漂移而在外回路流过的感应电荷。这时，由于r0很小，以至电子在阴极的感应电荷很小，而可以忽略电子对输出信 号的贡献。 得到本征电流： 由于： 其中，仅取决于结构、工作气体及工作电压等。 由于很小，所以电流随时间而迅速下降。 有关的时间函数，与入射粒子的位置无关。dt 电流脉冲I(t)的形状一定，与入射粒子的位置无关；输出电压脉冲为定前沿脉冲。结论： 由于～10-8s，即使t～100 ，也就是输出电流降为初始的约1/100,也仅需要 当R0C0>>T＋时，获得最大输出脉冲幅度ANe/C0，但不管选取什么R0C0的值，电压脉冲幅度均正比于ANe。因此可选择小的输出回路时间常数，获得好的分辨时间。

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