引言；引言；电磁波谱技术是人类认识世界的常用工具，由于缺乏有；图１ＴＨｚ波段在电磁波谱中的位置；近十几年来，伴随着一系列的新技术的发展和应用，尤；我国开始ＴＨｚ成像领域的研究尽管比较晚，但正在掀；引言；于应用ＴＨｚ成像技术进行隐蔽物体、危险物体探测，；由于ＴＨｚ波产生、探测方法或成像模式的不同，脉冲；第一章ＴＨｚ辐射的基本介绍和应用；第一章ＴＨｚ辐射的基本介
电磁波谱技术是人类认识世界的常用工具，由于缺乏有效的产生方法和检测手段，电磁波谱上有一段不被人熟知的“空白”频率范围，即太赫兹波段（Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ，ＴＨｚ），如图１所示。ＴＨｚ波（或称ＴＨｚ辐射、亚毫米波、远红外辐射）是介于微波和红外光之间的电磁辐射，它的频率在Ｏ．１ＴＨ弘１唧ｚ（波长是３ⅡｌＩＩｌ～３０肛ｍ）（１ＴＨｚ＝１０坦Ｈｚ）。
图１ＴＨｚ波段在电磁波谱中的位置
近十几年来，伴随着一系列的新技术的发展和应用，尤其是超快激光技术的迅速发展，为ＴＨｚ波的产生提供了稳定、可靠的准常规技术，极大地促进了ＴＨｚ波的机理研究、探测技术和应用技术的发展，ＴＨｚ“空白”逐渐被填补。与其它波段相比，ＴＨｚ波有其独特优势。在光谱信息方面，ＴＨｚ波除了可测量由材料吸收而反映的空间分布外，还可通过位相测量得到折射率的空间分布。根据所测物质的ＴＨｚ光谱信息，建立相应的光谱信息库，实现物质识别。在成像方面，ＴＨｚ源的光予能量极低，不容易破坏被检测物质，且许多非金属非极性材料对ＴＨｚ波的吸收很少，ＴＨｚ波可穿透相对其他波段不透明的物体。自ＴＨｚ成像技术在分析美国哥伦比亚航天飞机失事原因时发挥了重大的作用，提供了有力的证据后，现在ＮＡＳＡ已经将ＴＨｚ成像作为其常规检测的四种手段之一（微波成像，太赫兹成像，激光散斑，Ｘ射线成像）。不仅如此，鉴于ＴＨｚ成像技术的巨大的应用前景和可能对人类生产、生活带来的巨大影响，这一技术已经在全世界范围内成为一个研究的热点，７尤其是在卫星通讯、无损探伤、安全检测和军用雷达等方面。目前全世界很多国家都已经或准备投入大量的资金支持这一领域的研究，许多实验室相继建立了ＴＨｚ成像研究小组，成为备受科学家关注的热点之一。
我国开始ＴＨｚ成像领域的研究尽管比较晚，但正在掀起研究的热潮，目前已有十几个研究小组针对不同的侧重点，开展这方面的研究。首都师范大学ＴＨｚ光谱与成像实验室是北京市重点实验室，已经成功搭建和调试了脉冲系统、０．２ＴＨｚ和０．３８ＴＨｚ连续系统，侧重
于应用ＴＨｚ成像技术进行隐蔽物体、危险物体探测，材料无损检测、探伤，材料鉴别等方而的研究。
由于ＴＨｚ波产生、探测方法或成像模式的不同，脉冲成像和连续波成像有着不同的成像装置和相应的成像特性。本论文的工作主要围绕连续ＴＨｚ波成像展开，在国内是一项全新的研究课题。论文首先介绍０．２ＴＨｚ系统的装置原理、搭建和优化、成像特性的理论分析研究，对不同类型的样品进行成像和分析鉴别，有效分析连续ＴＨｚ波成像的成像特性，挖掘其存隐蔽物体探测及鉴别、安全检查、航天航空领域等方面的潜力。同时，分析和比较了０．２ＴＨｚ和０．３８ＴＨｚ成像装置的特点，对各自的成像特性进行了对比研究，并在０．２ＴＨｚ和０．３８ＴＨｚ成像的基础上，开发图像处理方法，大大优化图像质量，识别出更多缺陷的信息特征，进一步说明揭示系统将成为一种新型的检测技术。２
第一章ＴＨｚ辐射的基本介绍和应用
第一章ＴＨｚ辐射的基本介绍和应用
本章简单介绍了ＴＨｚ辐射的基本性质、产生、探测、ＴＨｚ成像技术的应用。
第一节ＴＨｚ波概述
在ＴＨｚ波科学与技术中所应用的ＴＨｚ波通常表现为两种形式：相干脉冲电磁辐射和相干连续波电磁辐射。其中连续ＴＨｚ波的频带很窄，被视为准单频电磁波，通常是线偏振、相干的，在ＴＨｚ成像领域有很重要的作用。物质的ＴＨｚ光谱（包括反射和透射光谱）包含有丰富的物理和化学信息，通常用于与物质ＴＨｚ光谱相关的应用。尤其重要的是，ＴＨｚ波段的电磁辐射携带了其它波段的电磁辐射无法获得的信息。它的一些基本特性如下：
１）ＴＨｚ脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不但可以方便地进行时间分辩的研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制远红外背景噪声的干扰。目前，脉冲ＴＨｚ辐射通常只有较低的ＴＨｚ射线平均功率，但是由于ＴＨｚ脉冲有很高的峰值功率，并且采用相干探测技术获得的是ＴＨｚ脉冲的实时功率而不是平均功率，因此有很高的信噪比。目前，在时域光谱系统中的信噪比可达１０１０【ｌ刃。
２）ＴＨｚ脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖从ＧＨｚ直至几十ＴＨｚ的范围，许多生物大分子的振动和转动能级，半导体材料、薄膜材料等的声子振动能级落在ＴＨｚ波段范围。因此ＴＨｚ时域光谱技术作为探测材料在ＴＨｚ波段信息的一种有效的手段，非常适合于测量材料吸收光谱，可用于进行定性鉴别的工作［３－５］。
３）ＴＨｚ光子的能量低，只有几毫电子伏特，与ｘ射线相比，不会因为电离而破坏被检测物质，因此我们可以利用太赫兹做无损检测。
４）许多的非金属非极性材料对ＴＨｚ射线的吸收较小，因此结合相应的技术，使得探测材料内部信息成为可能。例如，陶瓷，硬纸板，塑料制品，泡沫等对ＴＨｚ电磁辐射是透明的，因此ＴＨｚ技术可以用于机场、车站等地方的安全检测【６】等。
５）极性物质对ＴＨｚ电磁辐射的吸收比较强，特别是水，ＴＨｚ光谱技术中应采取各种措旌避免水分的影响，不过在ＴＨｚ成像技术中，可以利用这一特性分辨生物组织的不同状态，比如动物组织中脂肪和肌肉的分布，诊断人体烧伤部位的损伤程度，及植物叶片组织的水分含量分布掣７＇８ｌ。６）太赫兹成像技术不仅能够提高图像的分辨率，还能增大景深。
第一章ＴＩ－Ｉｚ辐射的基本介绍和应用
第二节ＴＨｚ波的产生
目前，缺乏高功率、高效率的ＴＨｚ辐射源仍然是限制ＴＨｚ时域光谱技术、ＴＨｚ成像技术发展和应用的瓶颈。不过，现在有许多种光源可备选择，在快速电子学、激光和材料的彻究中，每种各有专长。这些辐射源可以被粗略的分为三类：非相干热辐射源，宽频带太赫兹脉冲源和窄频带太赫兹连续波源。在宽频带太赫兹脉冲源中，主要的宽频脉冲ＴＨｚ辐射是利用超快脉冲激发不同材料产生的，包括光电导、光整流、等离子振荡和电子非线性传输线等等。这些方法的转化效率很低，在１酽量级，也就是，如果飞秒泵浦光的功率为ｌＷ，获得的ＴＨｚ辐射的平均功率在ｎｗ和ｐＷ量级。光电掣¨１２１和光整流【１｝１ｓ１是两种被广泛用于物质的ＴＨｚ光谱分析和光谱成像的ＴＨｚ辐射技术。而窄带的连续ＴＨｚ辐射也有很多选择，包括电子射频上转换技术、光频下转换，ＴＨｚ激光器，反向返波管，半导体激光器，量子级联激光器等，比较详细的回顾可以参考ｓｉｅｇｅｌ等人的综述【１６－２３１。这里，主要详细介绍本论文中所使用的辐射源，即耿氏振荡器及倍频器。
依靠改进半导体结构和相应的制作技术，可以在原有的较低频ＴＨｚ输出的Ｇｕｎｎ和ＩＭＰＡＴＴ振荡器的基础上进行倍频，从而获得较高频率的ＴＨｚ辐射输出１２４捌。采用此上频移技术的辐射源成本相对较低，并有较高的功率，能够满足许多实际应用，特别是用于ＴＨｚ成像应用。
耿氏振荡器的核心是耿氏二极管（ＧｕｎｎＤｉｏｄｅ）。耿氏二极管主要是基于１１型砷化镓的导带双谷．高能谷和低能谷结构。１９６３年Ｇｕｎｎ在实验中观察到，在ｎ型砷化镓样品的两端加上直流电压，当电压较小时样品电流随电压增高而增大；当电压ｖ超过某一临界值Ｖ血后，随着电压的增高电流反而减小，这种随电场的增加电流下降的现象称为耿氏效应，或称负阻效应；电压持续增大（ｖ＞ｖ血）则电流趋向饱和。
在耿氏二极管两端加电压，当管内电场Ｅ略大于ＥＴ（ＥＴ为负阻效应起始电场强度）时，由于管内局部电量的不均匀涨落（通常在阴极附近），在阴极端开始生成电荷的偶极畴；偶极畴的形成使畴内电场增大而使畴外电场下降，从而进一步使畴内的电子转入高能谷，直至畴内的电子全部进入高能谷，畴不再增大。在外加电场的作用下，偶极畴以饱和漂移速度向阳极移动直至消失。最后整个电场重新上升，再次重复相同的过程，周而复始地产生畴的建立、移动和消失，构成电流的周期性振荡，形成一连串很窄的电流，这就是耿氏一：极管的振荡原理。４
第一章ＴＨｚ辐射的基奉介绍和应用
同轴谐振腔
沿谐振舫自
建立的振荡扬
歌氏二／波导
，一、。一、、。一
从波导中输出信号
图１．１耿氏振荡器结构示意图
耿氏二极管的工作频率主要有偶极畴的渡越时间决定．实际应用中，一般将耿氏二极管封装在金属谐振腔中做成耿氏振荡器，如图１．１所示，通过改变腔体内的机械调谐装置可在一定范围内改变耿氏振荡器的工作频率。
第三节ＴＨｚ探测
ＴＨｚ探测是另一项关键技术，由于目前ＴＨｚ辐射源普遍功率较低，因此高灵敏度、高信噪比的探测技术显得更加重要。简单来分，ＴＨｚ的探测技术分为脉冲ＴＨｚ射线探测和连续ＴＨｚ波探测两类。光电导取样脚捌和电光取样‘２８２卿是两种应用最广的相干Ｔ｝Ｉｚ脉冲探测方法。连续波探测包括热效应探测器、电子共振探测器、半导体探测器、超导．绝缘．超导（ＳＩＳ）混频器、高莱探测器（ＧｏｌａｙＣｅｌｌ）等，详细的回顾可以参考Ｇ。Ｊ．Ｄｏｌａｎ等人的工作［３０－－３３１。首都师范大学实验采用的探测器是肖特基二极管０４－－３６］，具体详细内容如下文。
肖特基二极管，也称肖特基势垒二极管（简称ＳＢＤ），它是一种低功耗、超高速半导体器件，适合作为小型连续ＴＨｚ系统的探测器件。其反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通电压降仅为０．４Ｖ左右，而整流电流却可达到几千安培。它的优势是动态范围高、响应速度快，可以实现更高的数据获取率，同时体积还有小，不需要偏压，很容易使用。它采用外差式探测，需要一个本征ＴＨｚ振荡源。首先，待测信号与该本征ＴＨｚ信号混合，对信号频率进行下转换（ｄｏｗｎｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ），然后再对转换后的低频信号进行放大测量。首都师范大学实验室连续ＴＨｚ波成像系统采用肖特基二极管探测。
肖特基二极管是以贵金属（铅、铂等）Ａ为正极，以Ｎ型半导体Ｂ为负极，利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属．半导体器件。由于Ｎ型半导体中存有大量的电子，而贵金属仅有少量的自由电子，所以电子便从浓度高的Ｂ中向浓度低的Ａ中扩Ｓ
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【科技评论】太赫兹技术在军事和安全领域的应用
太赫兹技术在军事和安全领域的应用赵国忠& 申彦春& 刘影&摘要:由于太赫兹波处于电磁波谱的特殊频段，属于电子学向光子学过渡区域，具有辐射小、透射性好、方向性强、频谱宽、通信传输容量大、对很多极性生物大分子有指纹谱等特点。因此太赫兹光谱技术、成像技术和雷达通信技术在军事和安全领域具有重要的应用价值。综述了近年来太赫兹技术在国内外军事、安全领域的应用成果，探讨了存在的问题，并对该技术在该领域的应用进行了展望。&&1&引言&太赫兹(THz)波是指频率在0.1～10THz(即波长为3000μm～30μm)的电磁波(1THz=1012Hz)，该波段处于微波和红外光之间的亚毫米波和远红外波段，属于前人研究较少的电磁波谱“空隙”区。&近年来，随着超快激光技术的迅速发展，太赫兹脉冲的激发光源得以更加稳定和可靠，为进一步研究太赫兹波谱技术创造了条件。另外，太赫兹成像技术也受到了各国政府、科研机构、高等院校等研究单位的高度重视，除了脉冲太赫兹成像技术的发展，连续波太赫兹成像技术包括主动成像与被动成像技术均得到了广泛的研究，其中利用太赫兹波成像进行安全检测和关键部门的安全检查已经得到了一定范围的实际应用。与此同时，各种机制的太赫兹辐射源、探测器以及一些关键功能器件的研究也在飞速发展，为太赫兹技术在化学、生物、材料、石油、化工、通信等领域的应用奠定了基础，尤其在军事和安全领域，由于太赫兹波所具有的独特的性质以及这一波段的技术空白，使得太赫兹技术有着广阔的应用前景。&2&太赫兹波的特性&太赫兹波独特的波谱特性，使其具有重要的学术和应用价值，其主要特点为：&1)室温条件下的物体都会存在热辐射，位于6THz频段。&2)有机分子在从GHz到THz频段的跃迁过程中，由于分子旋转和震动产生较强的吸收和色散特性，呈现出具有唯一性的太赫兹指纹光谱。&3)太赫兹光子的能量较低，不会在生物组织中引起光损伤及光化电离，(1THz条件下，光子能量约为4.1meV。&4)太赫兹波的时域光谱技术可以直接测量太赫兹波的时域电场。与传统的光学方法只能测量莫伊频率光的强度不同，通过时域数据的傅里叶变换可以给出太赫兹波的大小和相位。可以直接提供介电常数的实部和虚部，这使得测量与太赫兹波相互作用的介质折射率和吸收系数变得更精确。&3&太赫兹技术在军事领域的应用&3.1&可对爆炸物进行探测和鉴别&鉴于爆炸性物质在安全检测和反恐中的重要地位，其光谱和成像是目前的研究热点。通过对不同爆炸物的电光取样时间分辨光谱进行比较，可以看出不同频率下吸收谱和色散关系有所不同，因此利用太赫兹波独特的吸收性质，对爆炸物进行特征识别和安全检测具有潜在应用价值。&3.2&可进行无损检测&针对哥伦比亚号航天飞机失事事件，美国科研人员采用脉冲中心频率为1THz的太赫兹波对PAL-RampSOFI绝热泡沫层进行探测和成像，可以成功检测出泡沫层内的缺陷，该技术在战略导弹、航空航天结构材料的检测和评估方面具有重要的应用价值，已被美国宇航局选择为发射中缺陷检测的技术之一。洛克希德马丁公司开发的太赫兹检测系统，用来确保F-35战斗机的生产质量。&3.3&可进行远程探测与成像&由于雷达靠接收回波来发现和确定目标，应用太赫兹技术设计宽带雷达，可以比微波雷达具有更宽的频谱、更高的时间检测精度和分辨率。应用吸波材料设计的隐形飞机、舰船，使得常规窄带雷达对其不能进行有效探测，但吸波材料只能对带宽一定的信号进行吸收，而宽带太赫兹雷达由于具有丰富的频率分量，可以使得隐形军事目标的吸波涂层失去作用。&太赫兹技术也可以用来对物体进行三维立体成像，将战场上灰尘或烟雾中的坦克、隐蔽的炸弹及地雷等显示出来。美国国防部先进研究项目局(DARPA)投入大量资金，对THz成像阵列技术进行研究，并最终成功研制出远距离、便携式THz成像雷达，它可以在沙尘暴、浓烟及海上浓雾中探测到目标并清晰成像。&美国喷气推进实验室(JPL)在0.56～0.635THz，0.66～0.69THz，0.675THz等波段，对太赫兹雷达成像系统进行了研究，取得良好的成像效果。其中，研制的高分辨力雷达探测系统，工作频率0.6THz，可实现5s内对25m远、50cm×50cm视场的视场成像。一维测距分辨率当目标距离为4m时，约为2cm，改进的三维成像探测系统，在距离4m条件下分辨率为0.5cm，之后进一步研制的THz频段的快速高分辨雷达，成功的在5s内对25m外隐藏的武器进行探测。另有美国西北太平洋国家实验室的0.35THz成像系统，美国马萨诸塞大学的1.56THz成像系统等。德国应用科学研究所(FGAN)研制的太赫兹ISAR成像雷达，可探测到近距离隐藏的武器、军营和舰艇，当探测距离为500m，工作频率为0.22THz的条件下，成像分辨力可达到1.8cm。瑞典0.21THz三维ISAR成像系统，以色列0.33THz扫描成像系统，苏格兰0.34THz三维扫描成像系统，都取得了良好的成像效果。&3.4&可用于太空通信&由于太赫兹波比微波频率更高、频带更宽、容量更大，在系统设计过程中，可以使用更小尺寸的天线，更高速的数据流，安全性更高。太赫兹频段在外层空间传输损耗与大气中传输小很多，且能量集中，方向性强，与微波波段相比较更利于太空通信。由于太赫兹波受空气影响比较大，通信时传输的距离比较短，在实际作战中，可以专门进行隐蔽通信，适合配合隐形战机等作战设备形成隐形作战系统。而国际电信联盟已为下一步卫星通信预留了200GHz的频段，随着卫星通信的进一步发展，必定进入300GHz以上的范围，这实际上就是太赫兹通信。由于太赫兹波在大气中传输容易受到各种气候条件的影响，且传输距离有限，其实质性应用将会遇到很多困难和挑战。&3.5&可用于末端精确制导&导弹制导方式可分为自主制导，寻的制导、遥控制导和复合制导。其中应用较多的寻的制导可以应用雷达制导、红外制导、电视制导、激光制导和毫米波制导。由于太赫兹波具有波束窄、方向性强等特点，采用太赫兹波与常用制导方式相结合，远端采用常规制导方法，接近目标后，采用太赫兹修正的方法，即提高了制导的准确性，又可以很好的避免大气对太赫兹波的吸收，可以进一步提高导弹攻击的准确性。在实际应用中，由于太赫兹波在空气中传输距离有限，仍然面临很大挑战。&4&太赫兹技术在安全领域的应用&4.1&可用于安检设备&目前公共场所的安检系统都以X射线成像为主，辅助以金属探测器进行人工检查，由于X射线本身固有的特点，无法检查出隐藏的非金属危险品、武器、毒品和爆炸物。通过太赫兹技术可以很好的解决这一问题，该技术不仅对人体更加安全，还能够与物联网连接，对城市进行高效的管理。由我国中国电子科技集团公司开发出的太赫兹安检仪可以快速准确的完成安检。新泽西理工学院通过采用0.1THz连续窄带宽辐射太赫兹波进行扫描，在仪器中创建对象点的二维图像，该图像以每帧16毫秒的速率被四元检测器阵列重构，图像的分辨率和质量由检测器的数量、检测阵列的结构和基线校准的好坏决定，如图1所。&&图1太赫兹波扫描图像Fig.1Terahertzwavescanningimaging&2014年6月，德国弗劳恩霍夫应用技术研究联合会公布由弗劳恩霍夫物理测试技术研究所(IPM)与霍伯纳(Hübner)公司应用太赫兹成像技术联合研制的代号为“T-COGNITION”的太赫兹信件安检设备即将投放市场。这款信件安检设备的核心是太赫兹扫描仪，通过分析透过信件的太赫兹信号，几秒钟内可确定其太赫兹“指纹谱”，经过与数据库的比对，确定信件内是否存在危险品如爆炸物、细菌、毒品等。&4.2&用于生物药品检测&由于大部分物质都会对太赫兹波有相应，而且一些分子吸收谱会分布在太赫兹频段，据此可以将太赫兹技术用于生物药品检测，以此防止生物恐怖袭击。例如通过测定“炭疽热”粉末对太赫兹波的吸收情况，来判定样品中是否含有该物质，该技术在反恐和国土安全领域有着一定的应用价值。&4.3&用于毒品检测&毒品是指具有毒害性质的、能够使人成瘾并且为国家有关法律明令禁止的物品，其对家庭、社会及个人都有非常大的伤害。分为鸦片类、大麻类、可卡类。通常的毒品检测方法已经取得了较好的效果，但也都存在一定的局限性，经实验研究，很多毒品经过太赫兹波照射后，会在特定的频率上产生较强的吸收从而出现吸收峰，形成太赫兹“指纹谱”，以此可以鉴别不同种类的毒品。&5&结论&近二十多年来，太赫兹技术在一些领域已经取得了重要进展，其应用涵盖医学、材料、化学、生物、军事、安全、天文、通信等诸多领域，但整体来说，由于受到光源、探测手段的限制，还无法达到规模化和实用化，随着对太赫兹技术研究的进一步深入，太赫兹技术应用更加广泛，太赫兹技术必将会在更多的领域取得突破。&参考文献（略）（来源：《电子测量与仪器学报》，作者：赵国忠&&申彦春&&刘影，作者单位：首都师范大学物理系太赫兹光电子学教育部重点实验室，北京市太赫兹波谱与成像重点实验室，唐山学院信息工程系）
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双DFB半导体激光器（连续太赫兹源）&德国TEM公司开发的产生连续太赫兹波的双DFB可调谐半导体激光器，基于光子混频产生连续太赫兹波原理，集成双DFB半导体激光拍频叠加，并利用两套反馈回路分别控制两个激光器的控制注入电流和温度，调谐并稳定激光器的波长，能够随意调谐拍频频率，调谐范围超过2THz，并可提供饱和吸收参考频率，完成超高精度频率稳定。&应用举例 外差法（光子混频）连续太赫兹源
产品剖图1.两个分布反馈半导体激光器发射出的光束叠加，然后耦合进一对单模光纤中输出2.每个激光器的波长通过一个iScan干涉测量头探测和控制3.iScan控制器包含反馈回路激光器注入电流和温度4.可添加一个饱和吸收光谱参考装置CoSy进行绝对频率稳定
驱动和控制电路： 驱动电路是包含在iScan控制器中的，它包含两套CCTC模块，每一个模块能控制一个半导体激光器的注入电流和温度。激光频率的调谐是通过改变电流（快速小幅调节）或温度（大范围）来实现的。iScan的产品详细信息请点击以下链接：/p/laser_stabilizing_system/iScan_The_interferometric_frequency_control_for_tunable_lasers.htmlCosy的产品的详细信息请点击以下链接：/p/laser_stabilizing_system/CoSy_Compact_Unit_for_Doppler_free_Absorption_Saturation_Spectroscopy.html
指标参数：Laser data:Wavelength:selectable in the range 760nm — 2740nmOutput power:50mW per output at 853 nmTuning range:typ. 1THz, (2THz at 853nm)Frequency stabilization:Frequency resolution:1 MHzFrequency stability:10MHz per 10min, 100MHz per 8hrs(please note that absolute stabilization is & avaliable as an option)Drivers:Laser current range:0..200mA (typ., others on request)Laser temperatur range:0..70°CHousing (H x W x L):laser:100 mm x 250 mm x 400mmdriver:132 mm x 482 mm x 340 mm & && & & & & & & & & &
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