ICRP 기준팬텀 기반의 천연방사성핵종이 포함된 가공제품 사용으로 인한 피폭선량 특성 평가 Characteristic Evaluation of Exposed Dose with NORM added Consumer Product based on ICRP Reference Phantom원문보기
국내에서는 2012년 천연방사성핵종이 포함된 가공제품의 규제를 위해 생활주변방사선 안전관리법이 시행되었지만, 해당 가공제품 사용에 대한 인체 피폭선량을 평가할 수 있는 기초자료나 피폭선량 평가기술이 미비하다. 따라서 본 연구는 사용자 피폭선량을 정량적으로 평가하기 위한 방법을 제안하고, 방사선의 종류 및 에너지에 따른 피폭선량 특성의 확인을 목적으로 한다. 피폭선량 평가를 위해서 몬테칼로 방법을 사용한 Monte Carlo N-Particle Extended (MCNPX) 코드를 통해 International Commission on Radiological Protection (ICRP)의 기준팬텀이 전산모사 되었으며, 대표적 천연방사성핵종인 우라늄 계열에서 발생되는 알파선, 베타선, 감마선의 최소, 중간, 최대 에너지가 선원항으로 사용되었다. 연간 유효선량은 가공제품 사용시간 및 사용위치를 고려한 피폭시나리오를 기반으로 평가되었다. 짧은 비정의 알파선 및 베타선은 대부분의 선량을 피부에 전달한 반면, 감마선은 대부분의 장기에 유사한 선량을 전달하였다. 방사능이 $1Bq{\cdot}g^{-1}$ 인 돌침대에 포함된 천연방사성핵종의 함유율이 10%라고 가정하고 한국인 평균 수면시간인 7시간 50분간 돌침대를 사용하였을 때 최대 연간 유효선량은 알파선, 베타선, 감마선에 대해서 각각 0.0222, 0.0836, $0.0101mSv{\cdot}y^{-1}$로 평가되었다.
국내에서는 2012년 천연방사성핵종이 포함된 가공제품의 규제를 위해 생활주변방사선 안전관리법이 시행되었지만, 해당 가공제품 사용에 대한 인체 피폭선량을 평가할 수 있는 기초자료나 피폭선량 평가기술이 미비하다. 따라서 본 연구는 사용자 피폭선량을 정량적으로 평가하기 위한 방법을 제안하고, 방사선의 종류 및 에너지에 따른 피폭선량 특성의 확인을 목적으로 한다. 피폭선량 평가를 위해서 몬테칼로 방법을 사용한 Monte Carlo N-Particle Extended (MCNPX) 코드를 통해 International Commission on Radiological Protection (ICRP)의 기준팬텀이 전산모사 되었으며, 대표적 천연방사성핵종인 우라늄 계열에서 발생되는 알파선, 베타선, 감마선의 최소, 중간, 최대 에너지가 선원항으로 사용되었다. 연간 유효선량은 가공제품 사용시간 및 사용위치를 고려한 피폭시나리오를 기반으로 평가되었다. 짧은 비정의 알파선 및 베타선은 대부분의 선량을 피부에 전달한 반면, 감마선은 대부분의 장기에 유사한 선량을 전달하였다. 방사능이 $1Bq{\cdot}g^{-1}$ 인 돌침대에 포함된 천연방사성핵종의 함유율이 10%라고 가정하고 한국인 평균 수면시간인 7시간 50분간 돌침대를 사용하였을 때 최대 연간 유효선량은 알파선, 베타선, 감마선에 대해서 각각 0.0222, 0.0836, $0.0101mSv{\cdot}y^{-1}$로 평가되었다.
In Korea, July 2012, the law as called 'Act on Safety Control of Radioactive Rays Around Living Environment' was implemented to control the consumer product containing Naturally Occurring Radioactive Material (NORM), but, there are no appropriate database and effective dose calculation system. The a...
In Korea, July 2012, the law as called 'Act on Safety Control of Radioactive Rays Around Living Environment' was implemented to control the consumer product containing Naturally Occurring Radioactive Material (NORM), but, there are no appropriate database and effective dose calculation system. The aim of this study was to develop evaluation technique of the exposure dose with the use of the consumer products containing NORM and to understand the characteristics of the exposed dose according to the radiation type and energy. For the evaluate of exposure dose, the ICRP reference phantom was simulated by the MCNPX code based on Monte Carlo method, and the minimum, medium, maximum energy of alphas, betas, gammas from the representative NORM of Uranium decay series were used as the source term in the simulation. The annual effective doses were calculated by the exposure scenario of the consumer product usage time and position. Short range of the alpha and beta rays are mostly delivered the dose to the skin. On the other hand, the gamma rays mostly delivered the similar dose to all of the organs. The results of the annual effective dose with $1Bq{\cdot}g^{-1}$ radioactive stone-bed and 10% radioactive concentration were employed with the usage time of 7 hours 50 minute per day, the maximum annual effective dose of alphas, betas, gammas were calculated 0.0222, 0.0836, $0.0101mSv{\cdot}y^{-1}$, respectively.
In Korea, July 2012, the law as called 'Act on Safety Control of Radioactive Rays Around Living Environment' was implemented to control the consumer product containing Naturally Occurring Radioactive Material (NORM), but, there are no appropriate database and effective dose calculation system. The aim of this study was to develop evaluation technique of the exposure dose with the use of the consumer products containing NORM and to understand the characteristics of the exposed dose according to the radiation type and energy. For the evaluate of exposure dose, the ICRP reference phantom was simulated by the MCNPX code based on Monte Carlo method, and the minimum, medium, maximum energy of alphas, betas, gammas from the representative NORM of Uranium decay series were used as the source term in the simulation. The annual effective doses were calculated by the exposure scenario of the consumer product usage time and position. Short range of the alpha and beta rays are mostly delivered the dose to the skin. On the other hand, the gamma rays mostly delivered the similar dose to all of the organs. The results of the annual effective dose with $1Bq{\cdot}g^{-1}$ radioactive stone-bed and 10% radioactive concentration were employed with the usage time of 7 hours 50 minute per day, the maximum annual effective dose of alphas, betas, gammas were calculated 0.0222, 0.0836, $0.0101mSv{\cdot}y^{-1}$, respectively.
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문제 정의
하지만, 천연방사성핵종이 포함된 가공제품을 사용함으로써 받게 되는 일반인 피폭선량을 평가할 수 있는 기반 기술이 개발되지 않았으며, 가공제품에 대한 현황 및 기초자료가 부족하다. 본 연구는 천연방사성핵종이 포함된 가공제품 사용으로 인한 피폭선량을 정량적으로 평가할 수 있는 기술의 개발과, 방사선의 종류 및 에너지에 따른 피폭선량의 경향성 확인을 목적으로 한다. 본 연구에서는 2007년 일반인 연간 한도선량인 1 mSv·y-1를 초과하는 높은 방사능이 검출되었던 돌침대를 대표적 가공제품으로 가정하고, ICRP 기준팬텀과 몬테칼로 전산모사를 통해 유효선량 평가를 수행하였다.
본 연구에서는 ICRP report 110에서 제공하는 기준팬텀과 몬테칼로 방법을 사용하는 MCNPX 코드를 통해 천연방사성핵종으로부터 받게 되는 피폭선량이 평가되었다. ICRP 기준팬텀은 백인 남성 및 백인 여성의 실제 computed tomography (CT) 영상을 바탕으로 제작되었으며 유효선량 평가를 위한 장기와 조직들이 포함되어 있다.
본 연구에서는 대표적 천연방사성핵종인 우라늄 계열에서 발생되는 알파선, 베타선, 감마선의 최소, 중간, 최대 에너지에 따른 등가선량 및 연간 유효선량의 경향성을 평가하였다. 짧은 비정거리의 알파선과 베타선은 피부에 대부분의 선량을 전달하였으며 피부에 가까운 근육, 뼈 표면, 흉부외의 기도 순으로 선량이 전달되는 경향성을 보였다.
가설 설정
본 연구에서는 2007년 일반인 연간 한도선량인 1 mSv·y-1를 초과하는 높은 방사능이 검출되었던 돌침대를 대표적 가공제품으로 가정하고, ICRP 기준팬텀과 몬테칼로 전산모사를 통해 유효선량 평가를 수행하였다.
본 연구에서는 천연방사성핵종이 포함된 가공제품으로 방사능, 천연방사성핵종의 함유율, 크기, 질량이 각각 1 Bq·g-1, 10%, 100×200×10 cm3, 100 kg 싱글사이즈의 돌침대를 가정하였다.
제안 방법
본 연구는 MCNPX에서 제공하는 f6 tally를 통해 J·kg-1의 장기별 흡수선량을 계산하고, ICRP 116[10]에서 권고된 방사선가중치와 조직가중치를 고려하여 유효선량을 평가하였다.
몬테칼로 전산모사 코드는 3차원의 공간에서 기하학적 모형과 물질특성을 전산모사하고, 각각의 방사선 입자 수송해석을 통해 매질에 전달된 선량분포를 정밀하게 계산할 수 있다. 본 연구에서는 범용적으로 사용되는 몬테칼로 전산모사 코드 중 하나인 MCNPX 버전 2.7이 사용되었으며 ICRP 기준팬텀이 받게 되는 장기별 등가선량 및 연간 유효선량이 평가되었다. 대표적 천연방사성핵종인 238U은 8회의 알파 붕괴와 6회의 베타 붕괴 및 다수의 감마 붕괴를 한 뒤 최종적으로 안정된 206Pb으로 변하게 된다.
피폭시나리오는 통계청의 생활시간 조사를 참고하여 한국인 평균 수면시간인 7시간 50분을 돌침대의 사용시간으로 결정하였으며[8], 선원의 방향은 anterior-posterior (AP), posterior-anterior (PA), leftlateral (LLAT), right-lateral (RLAT)로 결정하고 네 방향의 평균선량 계산을 통해 유효선량이 결정되었다. 일반적으로 ICRP에서는 피사체의 피폭방향에 따른 유효선량환산인자를 제공하지만, 본 연구에서는 개인별로 그리고 각 개인도 매일 수면자세가 다를 수 있기 때문에 특정 방향만을 고려하지 않고 네 방향의 평균값을 유효선량으로 결정하였다. 본 연구는 우라늄 붕괴 계열에서 발생되는 알파선, 베타선, 감마선의 에너지에 따른 연간 유효선량의 경향성을 확인하기 위해, 돌침대에 포함된 방사능의 농도는 International Atomic Energy Agency (IAEA)에서 제공되는 Safety Standard Series No.
대표적 천연방사성핵종인 238U은 8회의 알파 붕괴와 6회의 베타 붕괴 및 다수의 감마 붕괴를 한 뒤 최종적으로 안정된 206Pb으로 변하게 된다. 천연방사성핵종에서 발생되는 방사선 입자의 종류 및 에너지에 따른 유효선량의 경향성을 확인하기 위하여 ICRP 기준팬텀을 이용한 전산모사가 수행되었으며, 선원항으로는 Radiation Decay 프로그램을 통해 우라늄 붕괴 계열에서 발생되는 알파선, 베타선, 감마선의 최소, 중간, 최대 에너지가 사용되었다. Radiation Decay 프로그램은 방사성붕괴를 통해 발생되는 3,000여종의 핵종 에너지, 반감기, 붕괴율 등 다양한 물리량을 제공하며, 미국 브룩헤이븐 국립 연구소 국가 핵 데이터 센터의 데이터베이스를 바탕으로 구동된다.
, 100 kg 싱글사이즈의 돌침대를 가정하였다. 피폭시나리오는 통계청의 생활시간 조사를 참고하여 한국인 평균 수면시간인 7시간 50분을 돌침대의 사용시간으로 결정하였으며[8], 선원의 방향은 anterior-posterior (AP), posterior-anterior (PA), leftlateral (LLAT), right-lateral (RLAT)로 결정하고 네 방향의 평균선량 계산을 통해 유효선량이 결정되었다. 일반적으로 ICRP에서는 피사체의 피폭방향에 따른 유효선량환산인자를 제공하지만, 본 연구에서는 개인별로 그리고 각 개인도 매일 수면자세가 다를 수 있기 때문에 특정 방향만을 고려하지 않고 네 방향의 평균값을 유효선량으로 결정하였다.
대상 데이터
7에 따라 1 Bq·g-1로 가정하였다[9]. 238U에서 206Pb로 붕괴되는 과정에서 발생되는 다양한 방사선 중에서, 알파선, 베타선, 감마선의 최소, 중간, 최대 에너지만이 전산모사에 사용되었다. Fig.
남성팬텀은 2.13×2.13×8.00 mm3(가로×세로×높이)크기의 복셀로 구성되어 있으며, 여성팬텀은 1.77×1.77×4.84 mm3(가로×세로×높이) 크기의 복셀로 구성되어 있다.
본 연구는 MCNPX에서 제공하는 f6 tally를 통해 J·kg-1의 장기별 흡수선량을 계산하고, ICRP 116[10]에서 권고된 방사선가중치와 조직가중치를 고려하여 유효선량을 평가하였다. 돌침대는 시중에 많이 유통되고 있는 구성 성분인 화강암(Granite)으로 선택하였으며, Homeland Security에서 발행된 Compendium of Material Composition Data for Radiation Transport Modeling 데이터를 사용 하였다[11]. ICRP report 110의 권고에 따라 남성팬텀과 여성팬텀의 등가선량 평균값이 계산되었고, 이를 통해 최종적으로 유효선량이 평가되었다.
데이터처리
돌침대는 시중에 많이 유통되고 있는 구성 성분인 화강암(Granite)으로 선택하였으며, Homeland Security에서 발행된 Compendium of Material Composition Data for Radiation Transport Modeling 데이터를 사용 하였다[11]. ICRP report 110의 권고에 따라 남성팬텀과 여성팬텀의 등가선량 평균값이 계산되었고, 이를 통해 최종적으로 유효선량이 평가되었다. 몬테칼로 전산모사는 리눅스 기반의 Ubuntu 12.
성능/효과
0634 MeV 베타입자는 다른 장기에 비해 피부에 많은 선량을 전달하였고 나머지 장기에 비해 최소 50배에서 최대 50만 배의 선량차이가 확인되었다. 1.5322, 5.4821 MeV 베타 또한 모든 장기에 선량을 전달하였지만 다른 장기에 비해서 피부에 높은 선량이 전달되는 경향성이 확인되었다. 중간, 최대 에너지 베타선의 각 방향에 따른 장기별 선량 특성은 1.
이는 인체 장기별 해부학적 위치 특성으로 인해 각 방향에 따른 장기별 등가선량의 차이가 있음을 보여준다. 4 방향의 전산모사 결과를 평균한 결과에서는 감마선의 경우 남성팬텀은 전립샘, 여성팬텀은 자궁에서 가장 적은 선량이 평가되었으며, 다음으로는 부신, 이자, 쓸개와 같이 상대적으로 크기가 작은 장기에 낮은 선량이 평가되었다. 이러한 감마선에 의한 피폭은 ICRP 116에서 보고된 장기선량 분포와 유사한 경향성을 보이고 있다[10].
5322 MeV의 경우 모든 방향에서 피부에 가장 높은 선량을 전달하였으며, 그 다음으로는 가슴에 많은 선량을 전달하였다. 5.4821 MeV 베타선의 경우 AP, LLA, RLA 방향은 가슴에, PA 방향은 피부에 가장 높은 선량을 전달하였고, 다른 장기에 비해 상대적으로 크기가 작은 지라 혹은 쓸개에 가장 적은 선량을 전달하였다.
감마선은 알파선이나 베타선과 달리 투과성이 높으며 표면에서 build up이 되고 최고선량 이후 선형적으로 감소하는 감마선 선량분포의 특성으로 인해서, 4 방향의 감마선에 대한 평균선량은 대부분의 장기에서 유사한 경향성을 보이고 있다. AP 방향의 결과에서는 모든 에너지에 대해서 가슴과 콩팥 뒤에 위치한 부신에서 가장 적은 선량이 평가되었다(Fig. 7). 그에 반해 PA 방향에서 수행된 전산모사는 선원의 위치가 피부와 가장 많이 인접하고 있기 때문에 최소에너지의 감마선은 피부에 가장 높은 선량을 전달하였고 에너지가 증가할수록 build up 깊이가 증가하여 피부보다는 부신에 가장 많은 선량을 전달하였으며 AP 전산모사 결과와 반대로 가슴에 가장 적은 선량을 전달하였다.
그에 반해 PA 방향에서 수행된 전산모사는 선원의 위치가 피부와 가장 많이 인접하고 있기 때문에 최소에너지의 감마선은 피부에 가장 높은 선량을 전달하였고 에너지가 증가할수록 build up 깊이가 증가하여 피부보다는 부신에 가장 많은 선량을 전달하였으며 AP 전산모사 결과와 반대로 가슴에 가장 적은 선량을 전달하였다. LLA 방향의 전산모사 결과는 모든 에너지 영역에서 복부 왼쪽 가로막 아래 위치한 지라에 가장 높은 선량을 전달하였고 갑상선이나 인체의 우측에 위치한 간의 아래에 있는 쓸개에 가장 적은 선량을 전달하였다. RLA 방향의 전산모사 결과는 가장 많은 선량이 전달된 장기의 경향성은 없었으나 LLA 방향의 전산모사 결과에서 가장 높은 선량이 전달된 지라에 가장 적은 선량이 전달되었다.
LLA 방향의 전산모사 결과는 모든 에너지 영역에서 복부 왼쪽 가로막 아래 위치한 지라에 가장 높은 선량을 전달하였고 갑상선이나 인체의 우측에 위치한 간의 아래에 있는 쓸개에 가장 적은 선량을 전달하였다. RLA 방향의 전산모사 결과는 가장 많은 선량이 전달된 장기의 경향성은 없었으나 LLA 방향의 전산모사 결과에서 가장 높은 선량이 전달된 지라에 가장 적은 선량이 전달되었다. 이는 인체 장기별 해부학적 위치 특성으로 인해 각 방향에 따른 장기별 등가선량의 차이가 있음을 보여준다.
Radiation Decay 프로그램을 통해 결정된 우라늄 계열에서 발생되는 알파선의 최소, 중간, 최대 에너지는 각각 3.7923, 5.4074, 7.6871 MeV로 결정되었다. 알파선에 의한 장기별 피폭선량 평가를 위해 알파선의 비정거리는 식 1을 통해 계산되었다.
7). 그에 반해 PA 방향에서 수행된 전산모사는 선원의 위치가 피부와 가장 많이 인접하고 있기 때문에 최소에너지의 감마선은 피부에 가장 높은 선량을 전달하였고 에너지가 증가할수록 build up 깊이가 증가하여 피부보다는 부신에 가장 많은 선량을 전달하였으며 AP 전산모사 결과와 반대로 가슴에 가장 적은 선량을 전달하였다. LLA 방향의 전산모사 결과는 모든 에너지 영역에서 복부 왼쪽 가로막 아래 위치한 지라에 가장 높은 선량을 전달하였고 갑상선이나 인체의 우측에 위치한 간의 아래에 있는 쓸개에 가장 적은 선량을 전달하였다.
따라서 본 연구에서 사용된 ICRP 기준팬텀의 복셀 크기(남성: 2.13×2.13×8.00 mm3, 여성: 1.77×1.77×4.83 mm3)와 선원의 위치를 고려했을 때 3.7923, 5.4074 MeV 알파선은 ICRP 기준팬텀의 최외각 층을 구성하고 있는 피부에만 선량을 전달하거나, 피부 근처에 위치한 장기들에 일부 선량을 전달할 수 있다.
알파선, 베타선, 감마선의 에너지에 따른 천연방사성 핵종이 포함된 돌침대의 사용으로 인한 연간 유효선량은 일반인 연간 한도 유효선량인 1 mSv·y-1를 넘지 않았으며, 흉부 X-선 1회 촬영 시 받게 되는 유효선량인 0.1 -0.3 mSv 수준이거나 그 이하로 평가되었다.
0101 mSv·y-1의 경향성을 보였다. 알파선과 감마선의 최소, 중간, 최대 에너지에 따른 연간 유효선량은 에너지가 증가할수록 평균 5배 증가하였지만, 베타입자의 경우 최소에너지인 0.0634 MeV에서 최대 5.4821 MeV로 에너지가 증가함에 따라서 연간 유효선량이 약 104배 증가하는 경향성을 나타냈다. 특히, 5 MeV이상의 알파선 및 베타선의 경우에는 2차 방사선의 발생이 많으며 이로 인해 연간 유효선량이 감마선(최대 1 MeV)에 비해서 크게 평가되었다.
우라늄 계열에서 발생될 수 있는 베타선 중에서 최소, 중간, 최대 에너지는 0.0634, 1.5322, 5.4821 MeV로 결정되었다. 베타선은 알파선과 유사하게 피부와 같이 표면에 위치한 장기에 높은 선량을 전달하였지만 베타선의 에너지에 따른 전산모사 결과에서는(Fig.
알파선의 에너지가 증가할수록 비정거리가 증가하기 때문에, 등가선량은 피부보다 근육에서 더 크게 증가하였다. 우라늄 계열에서 발생될 수 있는 최대 에너지인 7.6871 MeV의 알파선은 피부에 가장 많은 선량을 전달하였으며, 림프절에도 선량이 전달될 수 있음이 확인되었다.
4821 MeV 베타 또한 모든 장기에 선량을 전달하였지만 다른 장기에 비해서 피부에 높은 선량이 전달되는 경향성이 확인되었다. 중간, 최대 에너지 베타선의 각 방향에 따른 장기별 선량 특성은 1.5322 MeV의 경우 모든 방향에서 피부에 가장 높은 선량을 전달하였으며, 그 다음으로는 가슴에 많은 선량을 전달하였다. 5.
5는 4 방향(AP, LLA, PA, RLA)에서 수행된 베타입자의 전산모사 결과를 평균한 장기별 등가선량 결과를 보여주며, 에너지가 증가할수록 장기별 등가선량은 증가하는 경향성이 확인되었다. 짧은 비정거리로 인해 0.0634 MeV 베타입자는 다른 장기에 비해 피부에 많은 선량을 전달하였고 나머지 장기에 비해 최소 50배에서 최대 50만 배의 선량차이가 확인되었다. 1.
본 연구에서는 대표적 천연방사성핵종인 우라늄 계열에서 발생되는 알파선, 베타선, 감마선의 최소, 중간, 최대 에너지에 따른 등가선량 및 연간 유효선량의 경향성을 평가하였다. 짧은 비정거리의 알파선과 베타선은 피부에 대부분의 선량을 전달하였으며 피부에 가까운 근육, 뼈 표면, 흉부외의 기도 순으로 선량이 전달되는 경향성을 보였다. 상대적으로 투과성이 높은 감마선은 알파선과 베타선에 비해 모든 장기에 상대적으로 고른 선량을 전달하였다.
4821 MeV로 에너지가 증가함에 따라서 연간 유효선량이 약 104배 증가하는 경향성을 나타냈다. 특히, 5 MeV이상의 알파선 및 베타선의 경우에는 2차 방사선의 발생이 많으며 이로 인해 연간 유효선량이 감마선(최대 1 MeV)에 비해서 크게 평가되었다. 알파선, 베타선, 감마선의 에너지에 따른 천연방사성 핵종이 포함된 돌침대의 사용으로 인한 연간 유효선량은 일반인 연간 한도 유효선량인 1 mSv·y-1를 넘지 않았으며, 흉부 X-선 1회 촬영 시 받게 되는 유효선량인 0.
후속연구
또한 가공제품 사용으로 인한 연간 유효선량은 1 mSv·y-1를 넘지 않았다. 본 연구에서 수행된 가공제품 사용으로 인한 인체 피폭선량 평가기술은 생활주변방사선 안전관리법의 기반기술 및 기초자료로 활용될 수 있으며 차후 실제 가공제품의 핵종분석 결과 및 가공제품의 모양을 정확하게 모델링한 뒤 가공제품 사용으로 인한 인체 피폭선량을 정확하게 평가하는 연구가 수행될 예정이다.
참고문헌 (11)
EPA. Evaluation of EPA's guidelines for technologically enhanced naturally occurring radioactive material(TENORM). EPA, 405-R-00-01. 2000.
Etsuko Furuta. NORM as consumer products: Issue of their being. Radiat. Prot. Dosim. 2011;146(1-3):178-182.
Hassan NM, Mansour NA, Fayez-Hassan M. Evaluation of radionuclide concentrations and associated radiological hazard indexes in building materials used in EGYPT. Radiat. Prot. Dosim. 2013;157(2):214-220.
Casas-Ruiz M, Ligero RA, Barbero L. Estimation of annual effective dose due to natural and manmade radionuclides in the metropolitan area of the bay of CADIZ (SW of SPAIN). Radiat. Prot. Dosim. 2013;157(2):214-220.
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