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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 ( B( V6 j: y8 K/ J# d/ }

    4 I1 d2 i( M$ U& o" ]5 g6 {( k" D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。
    / F/ M; W& Z8 \6 m0 Q" s3 e& p- `4 ?, x
    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。) L/ R/ g- V, D& J7 ]+ k! b

    * n$ W; ~! x: G: s个头、模样大致如此,二十六公斤。
    8 Y  l5 S/ a% s& O. J9 }6 B0 D0 I8 z5 O  [9 O  N
    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。
    6 u; a; |8 a. a2 w, G# D6 {0 B: Q. Z+ ~; q1 _+ ~/ ]2 l( R4 U1 V
    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。
    8 W1 Y0 g) d: P! T6 q4 R8 L/ v; y$ T" O3 C. q0 o
    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?4 n; F# Q- A: j' G) C. c$ ?
    4 z0 k: v$ Z' R3 H" e; C5 Z
    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。
      P$ A8 G, w; r& a, z5 Y! P/ z& {0 g6 T: K
    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!3 w+ c$ v6 r9 ~6 D; u
    2 c- L: o. G2 I& c, F  b3 F
    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。
    : j' p# T" a- O  y& b9 }- }
    / J! P! Y7 q* S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。: V0 \8 r1 I: z0 n3 V

    9 D- n  A$ T0 ^4 A' q& M说些个大家可能百度不到的。
      }( n. h8 {3 ~4 M9 w# @9 w
    ; a/ \9 Z: P% j===前方高能===
    3 |! ]! x. X/ O/ _- t5 n& O& l4 H- J$ q' i. P. S
    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。
    ! z* k+ p& p. s, |0 o" z1 D! t# L2 Q) N
    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。4 h7 _* h5 ~& n9 |( z# u! z

    / y) S  M1 d9 t. E+ R' i- }( I6 y& A! p* P! G: G1 I
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。+ F3 h$ t; z5 Q$ G" r1 k* G

    ( w& q& q+ P% z7 g! ]  Q. {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!6 s6 H( Z  f5 ~9 K1 l
    . q2 K- Y7 `# z6 ]8 v3 H8 ~" `4 S
    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。8 v, \6 c1 W5 A# N

    1 ^# x8 O( K5 D- \8 ]' A5 C6 l+ _) p! b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。; Z" P' G1 W5 N  g$ F: t
    ; ?% P' l/ Q& A- E* |# D( Z9 @
    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。0 D: A" i% j% D/ j1 a8 i( n

    1 \: z& S8 t  ?) C9 s  w3 e1986年,十的负十四次方。. N0 v7 ]: _+ X4 e
    ( b0 g0 E& B  A7 B
    2003年,十的负十五次方。
    ' A1 A3 a" M4 A3 F: q8 Y* I$ g- G# ~1 U" X. G
    2017年,十的负十六次方。
    % Z1 f. [' M' S3 o+ K" [! G7 U: B* G# a4 P' l% q, L( n* ?) g/ I- v: Y! x
    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 A8 u3 T8 o1 L' [* F

    # R/ \# I5 ^. p+ e; Q/ J6 J。。。0 j; F% @9 z9 W7 C: @
    # Q* j& L+ {0 R7 y" ]/ K  c! `( I

    1 M' S. D& S! A7 T& d' k6 J2 P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。' v; B0 a: w5 O
    * J- c1 t2 r5 I# q9 ?( ?
    ( t& |* a* E! Z  c! l

    % J8 O, O6 Z, e3 {# O, Q+ U

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  • TA的每日心情
    开心
    16 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。- h& j2 Q4 c1 J6 |* ^( s9 q" d5 ^
    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
    10 小时前
  • 签到天数: 3066 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
    2025-9-27 11:31
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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
    4 i* r3 F& {6 M' Z0 u2 Y) ?* z3 h3 P3 t( ^4 t8 Q
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);4 i* k; ^) X7 v" M
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。5 D' F0 J6 y7 |
    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
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    [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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    开心
    16 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 18:45
    ' b/ M1 ^( |6 o3 ^* ^, I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

    ! S6 k! Y3 x: p: m$ 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。& |) f* n, T$ q' v+ C& N: T+ Z
    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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    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, E" l9 b) S7 I
    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- G- |0 R+ J. j! W3 U他 ...
    $ M( }2 d+ x# M$ k* j3 v
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好" l$ R' ]" |0 B+ z+ l
    5071A好像这两年不好买了
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    16 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
      ]' a# f/ ?0 x  P$ ^' V% ]% |! r短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    ) f1 @4 t9 c3 a; }/ b; L3 V1 x/ ^0 e5071A好像这两年不好买了
    / G( E' w/ h/ [( y1 i5 Q
    这个短稳长稳有出处嘛?2 v( F/ v# Z  m6 r- h
    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~~
    ) c9 c3 q. `, O3 y( H) \  h9 f; z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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    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
    3 y, r+ o  g1 n5 H9 k这个短稳长稳有出处嘛?
    ; [& I& `# i1 j, N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 ...
    * p9 ~& e. Y0 d( `
    * @2 A) K% A3 L) {

    $ F$ U$ e+ \- T6 x没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    # P* w6 J9 K6 J8 [* ^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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      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 22:56: v0 e' p" z6 {
    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。* i' O4 q- ^9 G+ b$ T
    他 ...
    1 q% G6 C3 f6 Z
    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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    开心
    16 小时前
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    14#
    发表于 2020-7-27 03:35:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-26 12:48, h: f9 `0 J$ K7 ~
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
      }- o* c6 u" K8 z9 q! r5 @4 y: f这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    - a) m0 {! l) c' }9 [
    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。- V  k7 F& S0 A+ S
    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。+ Q4 z  h8 \' K; ]( P/ t4 {! Q

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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; Z( b+ `4 S& c2 X3 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 s1 s6 |# j2 ?; a7 S8 O$ K
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    5 q2 y1 W/ D8 d6 ^* ~0 u3 _+ ~可能高端的铯钟做的更好一些吧/ X2 h7 \6 _& O- W5 J# u! v6 O
    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
    4 ~' f+ i- o$ `4 V2 l$ f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
    ' [" E- |; `% l' e: K安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    $ P! r6 y* m1 d  S+ E2 n  y
    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  L0 a& C; u; B2 q- g
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    6 Y" B% ~' X" Y% i) V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$ s$ o; G: O( Y4 m6 R时间基准据说 ...

    # k: A- Q% s; W/ T$ ^6 \+ u7 V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
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    [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
    0 {2 A$ F7 z: g5 z& j2 `8 T请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    2 S! K5 X! S9 q7 ~  d# o! b
    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
    3 H8 r+ N3 M+ ?0 H1 Z+ a6 x2 B9 ]
    $ ?7 _( g5 X* |2 L! G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
    & C& V; o! Z0 `8 Y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 ...
    6 l! n( _) G6 V6 A, z# j
    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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