王之江(1930— )
光學(xué)家,中國應(yīng)用光學(xué)學(xué)科奠基者、中國激光科學(xué)開創(chuàng)者,中國科學(xué)院院士。江蘇常州人,1930年11月21日出生于杭州。幼年就讀于常州愷樂小學(xué)(教會學(xué)校),1945年至1948年在江蘇省立常州中學(xué)學(xué)習(xí),1948年入學(xué)江南大學(xué),1949年考入大連大學(xué)。1952年到中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械研究所從事光學(xué)設(shè)計(jì)工作,完成了大量國家急需的光學(xué)儀器的設(shè)計(jì),創(chuàng)立了中國自己的光學(xué)設(shè)計(jì)理論體系,編撰了中國第一部光學(xué)設(shè)計(jì)專著《光學(xué)設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)》。1958年至1959年開設(shè)了兩期光學(xué)設(shè)計(jì)培訓(xùn)班,為中國培養(yǎng)了大批光學(xué)設(shè)計(jì)人才。1961年9月,領(lǐng)導(dǎo)研制了中國第一臺紅寶石激光器。1964年至1976年,在中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所(以下簡稱上海光機(jī)所)領(lǐng)導(dǎo)開展了高能激光的相關(guān)探索,創(chuàng)造性地解決了一系列理論與技術(shù)難題。20世紀(jì)80年代后,在自由電子激光、成像光學(xué)、激光分離同位素、光刻機(jī)、半導(dǎo)體泵浦激光等領(lǐng)域取得了一系列創(chuàng)新成果。1984年至1992年任上海光機(jī)所所長。1988年被選為美國光學(xué)學(xué)會核心會員(中國首位獲此殊榮的光學(xué)家),1991年被評為中國科學(xué)院院士,1991年當(dāng)選為國際光學(xué)工程學(xué)會核心會員,1997年獲何梁何利獎(jiǎng)。
①王之江在20世紀(jì)80年代的工作照
②1995年,王之江和王大珩(右)合影。
③1978年,王之江在第四次全國激光報(bào)告會上作“幾個(gè)激光光學(xué)問題”的報(bào)告。
④中國第一臺紅寶石激光器
“老科學(xué)家學(xué)術(shù)成長資料采集工程”系列報(bào)道264
■陳崇斌 汪志榮
為國所需,創(chuàng)建中國應(yīng)用光學(xué)學(xué)科理論體系
王之江的第一份工作是光學(xué)設(shè)計(jì)。對于這份工作,王之江并不喜歡,他更喜歡做理論研究,他曾坦言:“這(光學(xué)設(shè)計(jì))與理論物理相距甚遠(yuǎn),很不符合自己的愿望。”但是,由于當(dāng)時(shí)中國的應(yīng)用光學(xué)還基本處于空白狀態(tài),不僅不能自主設(shè)計(jì)、制造光學(xué)儀器,進(jìn)口的一些儀器壞了也不能維修,急需有人從事光學(xué)設(shè)計(jì),于是他接受了這份自己并不喜歡的工作?!半m然有些勉強(qiáng),但既然是國家所需要,總也企圖將它做到最好”,本著這樣的工作態(tài)度,他把光學(xué)設(shè)計(jì)做到了最好,為中國應(yīng)用光學(xué)學(xué)科體系的建立作出了卓越貢獻(xiàn)。
當(dāng)時(shí)王之江所在的中國科學(xué)院儀器館(后更名為中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械研究所,以下簡稱長春光機(jī)所)是中國唯一的應(yīng)用光學(xué)研究所,承接來自全國各地急需的光學(xué)設(shè)計(jì)任務(wù)。在那里,他一方面根據(jù)單位自身的需要,為仿制、自行制造儀器完成了大量光學(xué)設(shè)計(jì)任務(wù);另一方面,他還解決了國內(nèi)其他機(jī)構(gòu)提出的光學(xué)設(shè)計(jì)問題,滿足了新中國成立初期國家對光學(xué)設(shè)計(jì)的迫切需求。
對于王之江在光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)踐方面的貢獻(xiàn),中國光學(xué)事業(yè)開拓者王大珩這樣評價(jià):“突出地表現(xiàn)了他對所學(xué)事物的敏感性、想象能力、創(chuàng)造能力和表達(dá)能力。在從事研究所自身需要的以及所外委托的各種光學(xué)設(shè)計(jì)中,迅速地形成以他為主導(dǎo)的團(tuán)隊(duì),完成了多種類型的鏡頭設(shè)計(jì),包括顯微鏡物鏡、內(nèi)調(diào)焦望遠(yuǎn)鏡、照相機(jī)放映物鏡、寬銀幕放映物鏡機(jī)攝影物鏡、折反射系統(tǒng)以及連續(xù)變焦物鏡等。不出十年,使(長春)光機(jī)所形成了一個(gè)我國的光學(xué)設(shè)計(jì)中心,掌握了光學(xué)設(shè)計(jì)的自由?!?/p>
更重要的是,王之江在實(shí)踐基礎(chǔ)上完成了光學(xué)設(shè)計(jì)的理論創(chuàng)新,為中國應(yīng)用光學(xué)學(xué)科體系的建立奠定了理論基礎(chǔ)。
王大珩留學(xué)英國時(shí)的教材(A.E.Conrady的Applied Optics and Optical Design)是王之江做光學(xué)設(shè)計(jì)的入門指導(dǎo)。王之江坦言“讀懂這本書就可以做光學(xué)設(shè)計(jì)”,但他并不滿足于能夠去做,而是在思考有沒有更好的方法。通過查閱文獻(xiàn),其間還和兩位同事一起翻譯了具有德國光學(xué)設(shè)計(jì)理念的蘇聯(lián)著作《光學(xué)儀器理論》,王之江全面把握了德國、英國兩個(gè)學(xué)派的光學(xué)設(shè)計(jì)理論的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn),在此基礎(chǔ)上創(chuàng)立了以高級像差分析為核心的新的光學(xué)設(shè)計(jì)理論體系,編撰出版了中國第一部光學(xué)設(shè)計(jì)著作《光學(xué)設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)》。直到今天,該著作仍然是光學(xué)設(shè)計(jì)從業(yè)者不可缺少的重要參考。
1956年,王之江領(lǐng)導(dǎo)的光學(xué)設(shè)計(jì)組加入了一批新成員。為幫助這批新人盡快提升業(yè)務(wù)水平,王之江在長春光機(jī)所內(nèi)部開設(shè)了光學(xué)設(shè)計(jì)培訓(xùn)班,將自己的理論與方法毫無保留地貢獻(xiàn)出來,培養(yǎng)出了以薛鳴球院士為代表的一批光學(xué)設(shè)計(jì)人才,他們后來成為我國工程光學(xué)研究的骨干力量。1958年、1959年,面對國內(nèi)高校、眾多光學(xué)工廠的需求,他又連續(xù)兩年舉辦光學(xué)設(shè)計(jì)培訓(xùn)班,培養(yǎng)了大批國家急需的光學(xué)設(shè)計(jì)人才。得益于這批人才的迅速成長,應(yīng)用光學(xué)研究在中國遍地開花,中國應(yīng)用光學(xué)的學(xué)科體系基本建立起來。
中國應(yīng)用光學(xué)學(xué)科體系的建立,凝聚了幾代光學(xué)家的卓越貢獻(xiàn),其中嚴(yán)濟(jì)慈、王大珩、龔祖同等光學(xué)家完成了中國應(yīng)用光學(xué)學(xué)科發(fā)展的奠基性工作,王之江則是站在這些前輩肩上的那塊最堅(jiān)實(shí)的“基石”。
義無反顧,為“150工程”打造“火眼金睛”
王之江做過的光學(xué)設(shè)計(jì)超過百種,其中有我國第一臺連續(xù)變焦物鏡的設(shè)計(jì)、高數(shù)值孔徑折反射顯微物鏡、寬銀幕柱形物鏡設(shè)計(jì),以及長春光機(jī)所聞名于世的“大躍進(jìn)”運(yùn)動成果——“八大件、一個(gè)湯”中高溫金相顯微鏡、多倍投影儀的光學(xué)設(shè)計(jì)等。這其中,最重要的應(yīng)該是“150工程”——大型光學(xué)電影跟蹤經(jīng)緯儀的物鏡設(shè)計(jì)。
“150工程”是為配合我國中程導(dǎo)彈試驗(yàn)而開展的一項(xiàng)研制任務(wù)。20世紀(jì)60年代初,我國正在開展中程導(dǎo)彈試驗(yàn),需要對導(dǎo)彈軌道進(jìn)行跟蹤并進(jìn)行精密測量,其中導(dǎo)彈由控制系統(tǒng)控制飛行的主動段的運(yùn)動軌跡是用光學(xué)儀器觀測的,距離為150公里以上。這種觀測設(shè)備事關(guān)尖端武器的發(fā)展,是西方國家嚴(yán)格“禁運(yùn)”的儀器,只能依靠自己的力量來制造。
這臺光學(xué)設(shè)備涉及光學(xué)、機(jī)械、電學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域,裝置總重量5噸以上,光學(xué)鏡頭直徑達(dá)600多毫米。研究人員此前都沒看見過這種裝備,只有幾張相似的照片可以參考,研制難度非常之大,加上此前長春光機(jī)所研制樣機(jī)失敗,所里很多研究人員對“150工程”的研制缺乏信心,也因此產(chǎn)生了“半桿子”還是“一桿子”工程模式的爭論。最終,該項(xiàng)工程由王大珩拍板采用“一桿子”模式,唐九華做總體方案論證,朱云青做電器部分的方案論證,王之江做的是光學(xué)系統(tǒng)的方案論證。
實(shí)際上,王之江當(dāng)時(shí)已退出光學(xué)設(shè)計(jì)工作,轉(zhuǎn)行去做激光研究,但由于研制的樣機(jī)光學(xué)成像質(zhì)量不好,而“150工程”的成像要求更高,在那樣的情境下,作為我國光學(xué)設(shè)計(jì)最權(quán)威的專家,他別無選擇,只能義無反顧承擔(dān)起這項(xiàng)艱巨的任務(wù)。
在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中,王之江首先確定了光學(xué)經(jīng)緯儀的工作條件。因?yàn)橛^測距離超過150公里,儀器肯定會受到大氣層流的影響,導(dǎo)致測量精度產(chǎn)生很大的偏差。經(jīng)過廣泛查閱文獻(xiàn),他了解到每天清晨和傍晚兩個(gè)時(shí)間段的大氣比較平穩(wěn),層流影響較小,就此確定了儀器的觀測條件——清晨或傍晚,這就是火箭發(fā)射多在傍晚、宇宙飛船返回地球都在早晨的原因。
“150工程”的最終目標(biāo)是能夠捕捉到150公里外的導(dǎo)彈,其中最關(guān)鍵的就是觀測物鏡的設(shè)計(jì)。我們隔著玻璃窗看東西,物體都會變形,而“150工程”的光學(xué)系統(tǒng)有幾十個(gè)光學(xué)器件,觀測的是150公里之外的目標(biāo),若設(shè)計(jì)不科學(xué),就不僅是目標(biāo)變形的問題,而是什么都看不到。另外,為適應(yīng)不同距離的觀測需求,物鏡還必須能夠變焦。經(jīng)過思考,王之江采用一個(gè)球面反射鏡與兩個(gè)透鏡組的組合方案,實(shí)現(xiàn)物鏡的變焦,而兩個(gè)透鏡組產(chǎn)生的二級光譜恰好相互抵消,這樣既實(shí)現(xiàn)了物鏡的變焦,又消除了二級光譜產(chǎn)生的像差。這是一個(gè)可以申請專利的設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明,設(shè)計(jì)方案非常成功,研制出的大型電影經(jīng)緯儀,其性能超過了當(dāng)時(shí)國外的同類設(shè)備,而且,觀測距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過150公里,一般天氣條件下約為210公里,天氣條件好時(shí)可達(dá)300公里以上。
“150工程”這種大型電影經(jīng)緯儀為國服役20多年,精確測量了各式導(dǎo)彈的飛行軌道參數(shù),滿足了導(dǎo)彈試驗(yàn)的迫切需要,為我國國防建設(shè)作出了卓越貢獻(xiàn)。該項(xiàng)成果獲1978年全國科學(xué)大會成果獎(jiǎng),是1985年“現(xiàn)代國防試驗(yàn)中的動態(tài)光學(xué)觀測及測量技術(shù)國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)”的主要組成內(nèi)容。其輝煌成就也凝聚了王之江的智慧,是他為這臺設(shè)備設(shè)計(jì)出了最為敏銳的“眼睛”——光學(xué)系統(tǒng)。從這個(gè)意義上說,王之江也是我國導(dǎo)彈事業(yè)的元?jiǎng)祝?/p>
敢想敢做,領(lǐng)銜研制中國第一臺激光器
1961年9月,中國第一臺紅寶石激光器在長春光機(jī)所誕生。這臺激光器的成功運(yùn)轉(zhuǎn),僅比美國的第一臺激光器晚一年多,但比蘇聯(lián)的第一臺早兩個(gè)月。中國激光研究能夠在如此短的時(shí)間內(nèi)趕上國際潮流,王之江創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在其中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
激光研究實(shí)際上是鄧錫銘、王之江等一批年輕科技人才自主開展、沒有經(jīng)費(fèi)支持的“黑題目”,是利用業(yè)余時(shí)間完成的。這個(gè)“黑題目”開始于1958年的“大躍進(jìn)”運(yùn)動。在這期間,長春光機(jī)所因研制出了時(shí)稱“八大件”的八種先進(jìn)光學(xué)儀器而成為科技界的典型,實(shí)際上,第一臺紅寶石激光器也是“大躍進(jìn)”運(yùn)動的成果,因?yàn)檠兄萍す馄鞯脑妓枷胧窃凇按筌S進(jìn)”運(yùn)動中形成的。
當(dāng)時(shí),為推進(jìn)“大躍進(jìn)”運(yùn)動,毛澤東提出要“破除迷信、解放思想、敢想敢說敢做”。為響應(yīng)這個(gè)號召,時(shí)任長春光機(jī)所團(tuán)支部書記的鄧錫銘組織了一系列的讀書報(bào)告會,集中討論如何破除迷信、解放思想,做過去不敢想、不敢做的科學(xué)研究。1958年秋,王乃弘、王之江、顧去吾等一批年輕的科技人員,針對他們在應(yīng)用光學(xué)研究中遇到的實(shí)際問題,比如紅外探照燈的有效照明距離能否從800米提高到5000米等,展開了一系列探索,產(chǎn)生了一系列改革光源的創(chuàng)新物理思想。他們改革光源的物理思想與1958年美國物理學(xué)家蕭洛和湯斯發(fā)表的《紅外和光量子放大器》(光量子放大器即激光器)文中的物理思想產(chǎn)生了共鳴,激發(fā)了他們研制激光器的最初動機(jī)——在美國物理學(xué)家梅曼的第一臺紅寶石激光器研制成功之前,他們就已經(jīng)開始了對激光器的研究。
1960年5月,梅曼第一臺紅寶石激光器成功運(yùn)轉(zhuǎn),給中國科學(xué)家研制激光器注入了新的動力。當(dāng)年年底,王之江提交了研制激光器的實(shí)驗(yàn)方案。
王之江設(shè)計(jì)的激光器實(shí)驗(yàn)方案有兩處特征鮮明的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。其一,脈沖氙燈設(shè)計(jì)成直管狀。脈沖氙燈是激光器的泵浦源,由于當(dāng)時(shí)國內(nèi)尚無生產(chǎn)氙燈的廠家,激光器的研制只能從脈沖氙燈的設(shè)計(jì)工作做起。當(dāng)時(shí)國外流行螺旋狀氙燈,梅曼第一臺紅寶石激光器采用的就是螺旋狀氙燈,王之江在設(shè)計(jì)氙燈時(shí)沒有去盲目仿制,而是從應(yīng)用光學(xué)的基本原理出發(fā),認(rèn)為螺旋狀結(jié)構(gòu)的效率低下,將氙燈設(shè)計(jì)成直管狀。其二,激光器的照明系統(tǒng)采用球形成像方式。梅曼第一臺紅寶石激光器的照明方式采用的是橢圓漫射照明,其后這種照明方式在國外非常流行。王之江從光學(xué)的基本原理出發(fā),認(rèn)為成像照明系統(tǒng)的效率比漫射照明方式高。
實(shí)踐證明,王之江設(shè)計(jì)的激光器效率更高,只需很小的能量就實(shí)現(xiàn)了激光輸出,這也是中國第一臺紅寶石激光器運(yùn)轉(zhuǎn)成功的關(guān)鍵。當(dāng)時(shí)長春光機(jī)所的技術(shù)支撐條件很差,制造氙燈所用的電容是倉庫庫存的舊電容,容量很小,只有2660微法,好在激光器效率高,輸出的能量有0.003焦耳。若電容再小一點(diǎn)或者裝置效率稍低,實(shí)驗(yàn)都很難成功。回顧這段歷史,王之江感嘆道:“這臺紅寶石激光器的成功有很大的運(yùn)氣成分。”
在激光器真正運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),由于研究人員此前只看到過關(guān)于原理性的一兩篇文章和幾條新聞報(bào)道,并不知道當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是否標(biāo)志著激光正式產(chǎn)生。最后還是王之江根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象判斷,激光器確實(shí)已真正輸出了激光,后來用示波器等儀器測量的結(jié)果驗(yàn)證了王之江的判斷。
勇于擔(dān)當(dāng),科學(xué)判斷“640-3”工程
高能激光研究和高功率激光研究是中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所在建所之初承擔(dān)的兩項(xiàng)主要任務(wù),其中,高能激光是由王之江帶領(lǐng)開展,高功率激光則由鄧錫銘領(lǐng)導(dǎo)開展。這兩項(xiàng)工作對中國激光科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了非常深遠(yuǎn)的影響。
高能激光系統(tǒng)的研制任務(wù),時(shí)稱“640-3”工程,也叫100#任務(wù),目標(biāo)是利用激光進(jìn)行導(dǎo)彈攔截。該工程自1964年啟動,到1976年終止,前后歷時(shí)13年。在這個(gè)過程中,研究人員通過提高輸出能量、改善激光亮度等方式對激光的破壞機(jī)理進(jìn)行了深入探索,解決了工作物質(zhì)損傷、寄生振蕩、彌散等一系列技術(shù)困難,并進(jìn)行了激光打靶實(shí)驗(yàn)。依據(jù)取得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),研究人員認(rèn)為當(dāng)時(shí)的技術(shù)路線無法實(shí)現(xiàn)激光反導(dǎo)之目標(biāo),于1976年中止了這項(xiàng)工程?!?40-3”工程雖然未能實(shí)現(xiàn)激光反導(dǎo)的最終目標(biāo),但通過工程的開展,中國激光科學(xué)在理論、實(shí)驗(yàn)及各種單元技術(shù)等諸多方面都取得了非??少F的進(jìn)展。
在高能激光的探索過程中,王之江在關(guān)鍵時(shí)刻的科學(xué)判斷深刻影響了研究的進(jìn)程,充分展示了他在光學(xué)理論方面的深厚造詣和敏銳的科學(xué)洞察力。1965年,在工程上馬之初、在大家都在緊盯著如何提高激光輸出能量的時(shí)候,王之江就清醒地認(rèn)識到激光亮度的重要性,專門撰寫報(bào)告,闡明亮度指標(biāo)在高能激光探索中的重要性。不久,“文革”開始,他被迫中斷這項(xiàng)工作,此后一段時(shí)間再沒有人去關(guān)注激光亮度的問題。直到1970年,上海光機(jī)所研制的高能激光器的輸出能量已達(dá)到極限,但打靶實(shí)驗(yàn)的結(jié)果并不理想,研究重點(diǎn)才被迫轉(zhuǎn)向提高激光亮度的方向。其后,在王之江的帶領(lǐng)下,研究團(tuán)隊(duì)大幅提高了激光的亮度,并在打靶實(shí)驗(yàn)中得到了比較理想的結(jié)果,證實(shí)了王之江最初關(guān)于亮度的論斷是正確的。
“640-3”工程下馬,也是王之江做出的決定。1976年,王之江根據(jù)已取得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果判斷,他們采取的技術(shù)路線不可能達(dá)到激光反導(dǎo)的目標(biāo),于是建議工程下馬。當(dāng)時(shí),這項(xiàng)工程的總設(shè)計(jì)師錢學(xué)森以及國防科委的一部分人希望繼續(xù)開展下去。但是,王之江認(rèn)為,這項(xiàng)工程繼續(xù)開展下去,一些技術(shù)指標(biāo)肯定會得到提高,但激光反導(dǎo)的目標(biāo)肯定不能實(shí)現(xiàn);同時(shí),這項(xiàng)工程花費(fèi)太高,每年要花掉大約1億人民幣,繼續(xù)下去不值得。他建議,在有限經(jīng)費(fèi)支持下繼續(xù)開展高能激光的科學(xué)探索,在技術(shù)路線不夠明朗的情況下,不搞大規(guī)模的工程建設(shè)。實(shí)踐證明,“640-3”工程下馬是非常明智的。2007年美國國防部公開的DSB報(bào)告表明,現(xiàn)階段美國激光反導(dǎo)的技術(shù)手段也未發(fā)展成熟,與王之江在1976年的判斷是一致的。
“640-3”工程下馬,避免了人力、物力、財(cái)力的巨大浪費(fèi)。不難看出,做出這樣的決定,體現(xiàn)了王之江敢于擔(dān)當(dāng)?shù)哪懽R和勇氣。在當(dāng)時(shí)的壓力下,“對這一方案,誰敢說個(gè)不字?”王大珩曾在評價(jià)王之江時(shí)如是說。
“640-3”工程對我國激光科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了極為深遠(yuǎn)的影響,考慮到“文革”這一特定的歷史背景,其取得的進(jìn)展及其影響顯得尤為重要。
王之江的科學(xué)貢獻(xiàn),特別是在中國應(yīng)用光學(xué)學(xué)科體系的建立、中國激光科學(xué)的開創(chuàng)方面,得到了國內(nèi)外光學(xué)界的廣泛認(rèn)可。長春光機(jī)所陳星旦院士這樣評價(jià)王之江:“在光學(xué)界,我不談大珩先生、龔祖同先生,他們是老一輩的,就我們這一輩,王之江是光學(xué)理論方面最有學(xué)問、最有思想的,應(yīng)該是第一,其他人誰也趕不上?!贝筮B理工大學(xué)吳世法教授的評價(jià)是:“王之江在創(chuàng)新方面,應(yīng)該說不比他的老前輩王大珩、龔祖同貢獻(xiàn)低。他是我們國家光學(xué)設(shè)計(jì)的第一人,真正把光學(xué)設(shè)計(jì)的理論體系建立了起來,培養(yǎng)了很多搞光學(xué)設(shè)計(jì)的專家,在這方面應(yīng)該說他是第一功勞,確實(shí)比老一輩的人貢獻(xiàn)更大?!?/p>
王大珩也給予了王之江非常高的評價(jià):“王之江在我的學(xué)生中是最著名的,也是在學(xué)術(shù)上貢獻(xiàn)最大的一個(gè)。”他坦言,“老師不一定在所有的領(lǐng)域中都比自己的學(xué)生強(qiáng),老師也不一定永遠(yuǎn)都比自己的學(xué)生強(qiáng),當(dāng)老師的應(yīng)該善于向自己的學(xué)生學(xué)習(xí)”。
因杰出成就,王之江1988年被選為美國光學(xué)學(xué)會核心會員,1991年當(dāng)選為國際光學(xué)工程學(xué)會核心會員,這凸顯了他在國際光學(xué)界的影響。
(作者單位分別為浙江師范大學(xué)生化學(xué)院、安徽師范大學(xué)物電學(xué)院)
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