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論文

Photonuclear reactions in lightning, 1; Verification and modeling of reaction and propagation processes

和田 有希*; 榎戸 輝揚*; 中澤 知洋*; 小高 裕和*; 古田 禄大; 土屋 晴文

Journal of Geophysical Research; Atmospheres, 125(20), 17 Pages, 2020/10

 被引用回数:1 パーセンタイル:0.01(Meteorology & Atmospheric Sciences)

We report simulation results of photonuclear reactions in the atmosphere triggered by a downward terrestrial gamma-ray flash in lightning. Possible channels of reactions in the atmosphere and their cross sections are verified with the ENDF/B-VII.1 library. Monte-Carlo simulations with two stages are then performed with the Geant4 framework. In the first stage, electrons following the relativistic runaway electron avalanche spectrum are produced in a mass model of the atmosphere, and production of photoneutrons and $$beta^{+}$$-decay nuclei is calculated based on the nuclear data library. In total 1$$times$$$$10^{13}$$ neutrons and 4$$times$$$$10^{12}$$ $$beta^{+}$$-decay nuclei are produced by $$10^{18}$$ energetic electrons above 1 MeV. In the second stage, propagation of the photoneutrons and positrons from the $$beta^{+}$$-decay nuclei in the previous stage is calculated. As a result, we model on-ground distributions of fluxes and energy spectra for neutrons, neutron-related gamma rays, and annihilation ones. The simulation model is to be compared with photonuclear events detected in low-charge-center winter thunderstorms.

論文

Three-dimensional and multienergy $$gamma$$-ray simultaneous imaging by using a Si/CdTe Compton camera

鈴木 義行*; 山口 充孝; 小高 裕和*; 島田 博文*; 吉田 由香里*; 鳥飼 幸太*; 佐藤 隆博; 荒川 和夫*; 河地 有木; 渡辺 茂樹; et al.

Radiology, 267(3), p.941 - 947, 2013/06

 被引用回数:10 パーセンタイル:42.69(Radiology, Nuclear Medicine & Medical Imaging)

Capabillity tests of 3D imaging for medical applications were performed by using a new Compton camera. $$^{18}$$F, $$^{131}$$I and $$^{67}$$Ga separately compacted into micro tubes were injected subcutaneously into a Wister rat and imaged after sacrifice of the rat (ex-vivo model). In a separate experiment $$^{111}$$In-chloride and $$^{131}$$I-Methylnorcholestenol were injected into a rat intravenously and $$^{64}$$Cu was injected into the stomach orally just before imaging (more physiological model). The Compton camera demonstrated its 3D multinuclear imaging capability by separating out the three nuclear distributions clearly in ex-vivo model. In the more physiological model, the distributions of $$^{131}$$I and $$^{64}$$Cu were clearly imaged although $$^{111}$$In was difficult to visualize due to blurring at low energy region of $$gamma$$-ray. In conclusion, our new Compton camera successfully demonstrated highly resolved multiplanar and multinuclear $$gamma$$-ray simultaneous imaging.

論文

An Evaluation of three-dimensional imaging by use of Si/CdTe Compton cameras

山口 充孝; 長尾 悠人; 河地 有木; 藤巻 秀; 神谷 富裕; 小高 裕和*; 国分 紀秀*; 武田 伸一郎*; 渡辺 伸*; 高橋 忠幸*; et al.

Proceedings of 2013 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference Record (NSS/MIC), 3 Pages, 2013/00

A Monte Carlo simulation system was developed to estimate the response of Compton camera against $$gamma$$-ray emissions from RI spots in a PET-standard human-body phantom. The quality of the three-dimensional imaging program for the Si/CdTe Compton camera to reconstruct the image of the RI spots in a phantom was evaluated by the system, when the phantom has three hot sphere-regions with the same known RI density and different diameters, in other words, different known intensities. The density values of the hot regions reconstructed by the three-dimensional imaging program for the Compton camera were consistent to the known intensities of the RI. It demonstrates sufficient quality of the program for Si/CdTe Compton camera to image RI spots in the phantom.

論文

High-resolution Compton cameras based on Si/CdTe double-sided strip detectors

小高 裕和*; 一戸 悠人*; 武田 伸一郎*; 福山 太郎*; 萩野 浩一*; 齋藤 新也*; 佐藤 有*; 佐藤 悟朗*; 渡辺 伸*; 国分 紀秀*; et al.

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 695, p.179 - 183, 2012/12

 被引用回数:19 パーセンタイル:84.11(Instruments & Instrumentation)

Si/CdTe半導体両面ストリップ検出器(DSD)を用いた新しいコンプトンカメラの開発を行った。このカメラは、各面において電極が128ストリップ(250$$mu$$mピッチ)で分割されている、厚さ500$$mu$$mのSi-DSDと4層の厚さ750$$mu$$mのCdTe-DSDから成り、ファインピッチのDSDを4mm間隔で積層配置することで、高角度分解能(356keVで4.5度、662keVで3.5度)を有しかつ小型な装置を実現している。許容できる検出効率を保ちつつこのような高解像度を得るために、コンプトン散乱連続スペクトルを用いたエネルギー較正法と、CdTe-DSD内の深度計測を用いたデータ処理法を新たに試みた。さらに、同時マルチエネルギーイメージングの結果を用いて、カメラの撮像能力について詳細な検討を行った。

論文

Applications and imaging techniques of a Si/CdTe Compton $$gamma$$-ray camera

武田 伸一郎*; 一戸 悠人*; 萩野 浩一*; 小高 裕和*; 湯浅 孝行*; 石川 真之介*; 福山 太郎*; 齋藤 新也*; 佐藤 有*; 佐藤 悟朗*; et al.

Physics Procedia, 37, p.859 - 866, 2012/10

 被引用回数:16 パーセンタイル:98.04

ASTRO-Hミッションのために開発されたSi/CdTe半導体両面ストリップ検出器(DSD)を利用したコンプトンカメラを用い、放射線ホットスポットのモニタリングの実行可能性チェックを目的とした複数放射線源の画像化実験を行った。本装置は半導体検出器によって与えられた良好なエネルギー分解能により、既に商業的な画像処理システムが提供するホットスポットの画像可能力に加え、複数の放射性同位元素を同定する能力を有する。今回の実験では、$$^{133}$$Ba(356keV), $$^{22}$$Na(511keV)及び$$^{137}$$Cs(662keV)の三放射性同位元素を同時に測定し、これらの画像化に成功した。5つの検出器モジュール(有効面積: 1.7$$times$$10$$^{-3}$$cm$$^2$$)を積み重ねることによって、662keVの$$gamma$$線に対し、検出効率1.68$$times$$10$$^{-4}$$、及び、3.8度の角度分解能を確認した。本装置は、より多くの検出器モジュールをスタックすることにより、さらに大きな検出効率を達成することが可能である。

論文

Three-dimensional imaging test for a head module of a Si/CdTe Compton camera for medical application

山口 充孝; 河地 有木; 神谷 富裕; 佐藤 隆博; 鈴井 伸郎; 藤巻 秀; 小高 裕和*; 石川 真之介*; 国分 紀秀*; 渡辺 伸*; et al.

JAEA-Review 2011-043, JAEA Takasaki Annual Report 2010, P. 145, 2012/01

現在、三次元撮像が可能な医学用コンプトンカメラとしてマルチヘッドコンプトンカメラシステムの開発を行っている。今回、システムの構成要素であるヘッドモジュールプロトタイプ機の製作を行い、Ba133点線源を用い性能試験を行った。測定結果は線源の位置を正確に反映し、点線源の撮像が問題なく可能であることを確認できた。測定データから見積もった装置の空間分解能は、シミュレーションスタディで得られている結果とよく一致した。装置近傍領域においては、検出器面に対して垂直方向の分解能も有することが、実験結果及びシミュレーション結果の両面から実証された。

論文

Development of head module for multi-head Si/CdTe Compton camera for medical applications

山口 充孝; 河地 有木; 鈴井 伸郎; 藤巻 秀; 神谷 富裕; 小高 裕和*; 石川 真之介*; 国分 紀秀*; 渡辺 伸*; 高橋 忠幸*; et al.

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 648(Suppl.1), p.S2 - S7, 2011/08

 被引用回数:1 パーセンタイル:12.7(Instruments & Instrumentation)

現在Si/CdTeコンプトンカメラを用いた、3次元撮像が可能な医学・生物学用のイメージングシステムの構築を進めている。このシステムは、数十keVから数MeVの広いエネルギー範囲において、高いエネルギー分解能及び空間分解能を有し、複数核種同時イメージングが可能であるという特徴を有する。これまでにカメラの近接領域においては、単一のカメラヘッドのみで、奥行き方向の情報を取得可能であることを、シミュレーションスタディを通して示してきたが、今回、実際に実機を用いて測定を行い、奥行き方向も含めた3次元情報が一台のヘッドのみで取得可能であることを確認した。また、得られた位置分解能が、シミュレーションスタディの結果とよく一致していることも確認できた。

論文

Counting rate performance measurement of newly developed Si/CdTe Compton camera for biological and medical applications

山口 充孝; 河地 有木; 神谷 富裕; 鈴井 伸郎; 藤巻 秀; 小高 裕和*; 石川 真之介*; 国分 紀秀*; 渡辺 伸*; 高橋 忠幸*; et al.

2010 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record (CD-ROM), p.2004 - 2007, 2010/10

In recent developed radionuclide-based imaging technologies utilized for biological and medical studies, wide dynamic range of radiation intensity with a good quantitative linearity is one of the most important factors. However, the linearity of a detector or a sensor generally breaks due to the dead-time increasing in high counting rate. Therefore, in case of an imaging camera, which is a large set of detectors, it is essential to measure the sensitivity profile of it varying with the radiation source intensity for correction of nonlinearity of each detector. Si/CdTe Compton camera is comprised of two layered double-sided Si strip detectors and two layered double-sided CdTe strip detectors with a four-layer laminated structure. For imaging, the source positions of $$gamma$$-rays are identified by analysing the deposited energies and the scattering angles from counted events in those of detectors. In this work, the Compton camera that was newly developed for biological and medical applications was investigated on the counting rate performance, and the sensitivity profile of this highly complicated imaging system was measured using a $$^{18}$$F point $$gamma$$-ray source. The intense source of 20 MBq was used to measure the sensitivity profiles for a wide range of counting rate in a short period. The result was compared with a calculation using a model considering the dead time of the detection system.

論文

Experimental results of the $$gamma$$-ray imaging capability with a Si/CdTe semiconductor Compton camera

武田 伸一郎*; 青野 博之*; 奥山 翔*; 石川 真之介*; 小高 裕和*; 渡辺 伸*; 国分 紀秀*; 高橋 忠幸*; 中澤 知洋*; 田島 宏康*; et al.

IEEE Transactions on Nuclear Science, 56(3), p.783 - 790, 2009/06

 被引用回数:47 パーセンタイル:95.74(Engineering, Electrical & Electronic)

A semiconductor Compton camera that combines silicon (Si) and Cadmium Telluride (CdTe) detectors was developed, and its imaging capability was examined with various kinds of $$gamma$$-ray targets such as a point source, arranged point sources and an extended source. The camera consists of one double-sided Si strip detector and four layers of CdTe pad detectors, and was designed to minimize the distance between a scatterer and the target. This is because the spatial resolution with Compton imaging improves as the target approaches the scatterer. This new camera realizes a minimum distance of 25 mm. By placing the target at a distance of 30 mm from the detector, resolving power better than 3 mm was demonstrated experimentally for a 364 keV ($$^{131}$$I) $$gamma$$-ray. Positional determination with accuracy of 1 mm was also demonstrated. As a deconvolution method, we selected the iteration algorithm (called List-Mode Expectation-Maximizing Maximum Likelihood), and applied it to several kinds of experimental data. The Compton back projection images of the arranged point sources and an extended object were successfully deconvolved.

論文

Monte Carlo simulation of multi-head Si/CdTe Compton camera for medical imaging

山口 充孝*; 河地 有木; 渡辺 伸*; 小高 裕和*; 武田 伸一郎*; 石川 真之介*; 青野 博之*; 高橋 忠幸*; 荒川 和夫; 中野 隆史*

2008 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record (CD-ROM), p.4000 - 4002, 2008/10

We have developed a prototype of Compton camera using Si/CdTe semiconductors for medical imaging. In the case where the detection area of Compton camera is restricted to small region, position resolution of depth direction is expected to be low. To overcome this weakness, we propose multi-head Compton camera. In this work, we evaluated the position resolutions of single- and double-head Compton camera by using Monte Carlo simulation. After the Monte Carlo simulation, two hit Compton event was selected, and back-projection and image reconstruction were performed in 3D-space. Consequently, the position resolution of the z-axis was about 5.6 mm for double-head camera whereas about 27 mm for single-head camera. These results indicate that the position resolution is improved and clear 3D-image is taken by using multi-head Compton camera.

口頭

The Experimental results of a $$gamma$$-ray imaging with a Si/CdTe semiconductor Compton camera

武田 伸一郎*; 青野 博之*; 石川 真之介*; 小高 裕和*; 渡辺 伸*; 国分 紀秀*; 高橋 忠幸*; 奥山 翔*; 中澤 知洋*; 田島 宏康*; et al.

no journal, , 

A $$gamma$$-ray imaging detector is required in various fields such as high-energy astrophysics, medical imaging and nondestructive inspection. We have proposed a concept of the Si/CdTe semiconductor Compton camera, which consists of many layers of thin Si and CdTe detectors. The Si/CdTe Compton camera features high energy resolution and high angular resolution. Recently, we developed a new Compton camera system for a balloon borne astrophysical experiment. It consists of a 4-layers stack of double-sided silicon strip detector (DSSD) modules and 32 CdTe pad detectors symmetrically surrounding the DSSD stack. The Compton reconstruction was successfully performed and the $$gamma$$-ray images were obtained from 662 keV down to 59.5 keV. The Angular Resolution Measure (ARM) is 3.5 degree (FWHM) and 2.5 degree (FWHM) at 356 keV and 511 keV, respectively. The Si/CdTe Compton camera which has such good angular resolution is also attractive for medical imaging and/or nondestructive inspection. An internal structure of about one mm can be resolved when the distance between the camera and a target becomes closer than a few mm. We developed another prototype which enable us to approach the target down to 20 mm. In this presentation, we will show the experimental results of this prototype and also discuss Compton reconstruction methods.

口頭

Application of double-sided silicon strip detectors for a Si/CdTe Compton camera

青野 博之*; 武田 伸一郎*; 石川 真之介*; 小高 裕和*; 国分 紀秀*; 渡辺 伸*; 高橋 忠幸*; 中澤 知洋*; 奥山 翔*; 田島 宏康*; et al.

no journal, , 

We have developed a low noise double-sided silicon strip detector for hard X-ray imaging spectroscopy. Development of low-noise analog electronics, optimized double-sided silicon strip detectors and a compact assembly technology realized the high-quality X-ray imaging device with fine energy, position and timing resolutions, and good uniformity. Imaging detectors in 10-100 keV would be attractive in various fields such as astrophysics, medical and nondestructive inspection. For these purposes, the development the next generation Compton Camera is now underway.

口頭

医用マルチヘッドSi/CdTeコンプトンカメラのモンテカルロシミュレーション

山口 充孝*; 河地 有木; 渡辺 伸*; 小高 裕和*; 武田 伸一郎*; 石川 真之介*; 青野 博之*; 高橋 忠幸*; 荒川 和夫; 中野 隆史*

no journal, , 

これまで、シリコン及びテルル化カドミウム半導体検出器を用いたコンプトンカメラの開発を行ってきた。このコンプトンカメラの検出器部分が1台の場合、検出面に相対するX-Y平面は半導体に微細構造を施した効果により良好な空間分解能が得られている。しかし、奥行き方向(Z軸)の分解能は、大幅な劣化が計測された。この欠点を解消するため、次世代の医用コンプトンカメラではマルチヘッド化を提唱し、モンテカルロシミュレーションによる分解能の評価を行った。その結果、Z軸のみならずX-Y平面におけるさらなる分解能の向上が示唆された。

口頭

Development of Si/CdTe Compton camera for medical imaging

山口 充孝*; 荒川 和夫; 青野 博之*; 石川 真之介*; 神谷 富裕; 河地 有木; 小高 裕和*; 櫻井 英幸*; 佐藤 隆博; 島田 博文*; et al.

no journal, , 

We have developed a prototype of Compton camera using Si/CdTe semiconductors for medical imaging. In a Compton camera, employing the imaging semiconductors as the component of the Compton camera, with their good energy and position resolution, improves angular resolution and hence sensitivity. Moreover, for the supposed energy range of $$gamma$$ rays, from several tens keV to a few MeV, silicon is suitable for the scatter of Compton camera since the photo absorption cross section of Si is small and the Compton cross-section is relatively large because of the small atomic number. On the other hand, CdTe is suitable for the absorbers because of its high photo-absorption efficiency for $$gamma$$ rays of this energy region, due to the large atomic numbers. In this presentation we will summarize the basic principle and performance of the Si/CdTe Compton camera for medical imaging.

口頭

Monte carlo simulation of multi-head Si/CdTe Compton camera for medical imaging

山口 充孝*; 河地 有木; 渡辺 伸*; 小高 裕和*; 武田 伸一郎*; 石川 真之介*; 青野 博之*; 高橋 忠幸*; 荒川 和夫; 中野 隆史*

no journal, , 

We evaluated the position resolutions of single- and double-head Compton camera by using Monte Carlo simulation. A $$gamma$$-ray source was placed at the origin of rectangular coordinates. For single-head camera, one head was placed as its center axis was corresponding to the z-axis. For double-head camera, two heads were placed as those center axes were corresponding to the z- and y-axis, respectively. Monte Carlo simulations were performed by using the Geant4 toolkit on ANL PLUS framework. The energy of $$gamma$$ rays was set at 364.5 keV, which correspond to radiation of iodine-131. After these simulations, two hit Compton event was selected. And then back-projection and image reconstruction were performed in 3D-space. Image reconstructions were performed by using the List-Mode Most- Likelihood Expectation-Maximizing, LM-ML-EM, algorithm. Consequently, the position resolution (FWHM) of the z-axis was about 4.4 mm for double-head camera whereas about 15 mm for single-head camera. These values are consistent with the values roughly estimated by using angular resolution measure (ARM). These results indicate that the position resolution is improved and clear 3D-image is taken by using multi-head Compton camera.

口頭

Si/CdTeコンプトンカメラによるイメージングと偏光測定

青野 博之*; 武田 伸一郎*; 石川 真之介*; 小高 裕和*; 渡辺 伸*; 国分 紀秀*; 高橋 忠幸*; 河地 有木; 豊川 秀訓*

no journal, , 

これまで散乱体にSi両面ストリップ検出器,吸収体にCdTe Pad検出器を用いたコンプトンカメラを開発し、高い位置分解能を有することを実証してきた。また、コンプトンカメラはその検出原理から偏光観測においても威力を発揮することが期待できる。本研究ではSPring-8において100%の偏光ビームを用いて、170keVの偏光$$gamma$$線に対しモジュレーションファクターが0.8という結果を得た。これは理論計算から予測される値とほぼ一致し、コンプトンカメラの高い偏光検出能力を表している。

口頭

医用Si/CdTeコンプトンカメラの空間分解能の評価

山口 充孝; 河地 有木; 渡邉 茂樹; 佐藤 隆博; 荒川 和夫; 小嶋 拓治; 神谷 富裕; 渡辺 伸*; 武田 伸一郎*; 小高 裕和*; et al.

no journal, , 

宇宙$$gamma$$線観測用に開発されたSi/CdTe半導体コンプトンカメラを重粒子線治療に応用するための技術開発を進めている。シリコン(Si)はコンプトン散乱断面積が比較的大きく、テルル化カドミウム(CdTe)は吸収断面積が大きいほか、半導体の中でも特に密度が高いため、コンプトンカメラとして高い検出効率を実現するための理想的な組合せである。エネルギー分解能が高い半導体検出器を用い、信号処理に低ノイズ電子回路を使用することで、高い位置分解能で複数の核種からの$$gamma$$線を同時にイメージングすることができるコンパクトなカメラとなる。今回JAXA/ISASにおいて製作されたSi/CdTeコンプトンカメラの試作機を用い、医学・生物学用に必要な撮像能力についての評価を行った。医学・生物学用途で求められる三次元イメージを取得する能力を評価するため、モンテカルロシミュレーションにより、奥行方向の空間分解能を求め、実際の撮像結果との比較を行った。さらに、マルチヘッド化により空間分解能が改善することをシミュレーションによって再現し、それと実データとを比較した結果についても報告する。

口頭

Development of Si/CdTe Compton camera for medical imaging

山口 充孝; 神谷 富裕; 河地 有木; 鈴井 伸郎; 藤巻 秀; 石岡 典子; 渡辺 伸*; 石川 真之介*; 小高 裕和*; 国分 紀秀*; et al.

no journal, , 

医学イメージング用途のSi/CdTeコンプトンカメラのプロトタイプの開発を行ってきた。コンプトンカメラヘッドが単一である場合、深度方向の空間分解能は低く3次元的に解像度の良い撮像は不可能である。分解能の改善のため、われわれは複数ヘッド型コンプトンカメラを提案してきた。今回、コンプトンカメラを用いた実験データとモンテカルロシミュレーション結果とを比較し、単一ヘッド装置の空間分解能を検証した。さらに、マルチヘッド化の影響調査のため、ダブルヘッド装置のシミュレーションによる分解能評価を行った。カメラヘッドは2枚のSiストリップ検出器と2枚のCdTeストリップ検出器からなる。モンテカルロシミュレーションにはGEANT4を用いたカメラシミュレーターを用いた。イメージングには、LM-ML-EM法を用いた。測定結果はシミュレーションによる結果とよく一致した。深度方向の空間分解能は、単一ヘッドの場合、おおよそ15mmであるが、ダブルヘッドの場合6mm程度に改善されることがシミュレーションにより示唆された。これらの結果はマルチヘッド化による3次元空間分解能の改善を示唆するものである。

口頭

Development of a head module for multi-head Si/CdTe Compton camera

山口 充孝; 神谷 富裕; 河地 有木; 鈴井 伸郎; 藤巻 秀; 小高 裕和*; 石川 真之介*; 国分 紀秀*; 渡辺 伸*; 高橋 忠幸*; et al.

no journal, , 

3次元撮像が可能な医学用コンプトンカメラとして、現在、マルチヘッドコンプトンカメラシステムの開発を行っている。今回、システムの構成要素であるヘッドモジュールのプロトタイプ機の製作を行い、Ba-133密封線源を用いて性能試験を行った。測定結果は、線源の位置を正確に反映し、点線源の撮像が問題なく可能であることを確認できた。測定データから見積もった装置の角度分解能は4.5度であり、シミュレーションスタディで得られている結果とよく一致した。今回のモジュールは、マルチヘッドを実現するためヘッドサイズは直径22cm高さ24cm程度にまで小型化を実現した。モジュールはロボットアームに設置し、患部への接近配置が可能となるよう設計している。今回製作したモジュールをマルチヘッド化した場合の3次元空間分解能の向上についてシミュレーションスタディにより評価を行った。本会議ではこれらの結果について報告を行う。

口頭

マルチヘッドSi/CdTeコンプトンカメラ用ヘッドモジュールの開発

山口 充孝; 神谷 富裕; 河地 有木; 鈴井 伸郎; 石岡 典子; 藤巻 秀; 渡辺 伸*; 石川 真之介*; 小高 裕和*; 国分 紀秀*; et al.

no journal, , 

われわれは宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所が中心となって開発したコンプトンカメラ技術を転用し、高い空間分解能とエネルギー分解能を併せ持ち、幅広いエネルギー領域の$$gamma$$線源を撮像できる医学・生物学用三次元イメージングシステムの構築を進めている。このシステムは、位置敏感型半導体検出器と低ノイズAnalog ASIC回路を使用することで、コンプトンカメラとして優れた分解能を実現し、散乱体にシリコン(Si)、吸収体にカドミウム(CdTe)を採用することで高い検出効率を実現している。さらに、コンパクトにモジュール化したコンプトンカメラを一つのヘッドとし、複数ヘッドによる多方面からの撮像を可能にすることで、三次元的に高い空間分解能を有したイメージングシステムとしている。これまでにヘッドモジュール一台の製作が完了し、密封線源(Ba-133)を用いた性能評価試験を行った。試験結果をモンテカルロシミュレーションと比較した結果、両者がよく一致することが確認できた。本発表では、製作したモジュールの詳細と、性能評価の結果と、シミュレーションによる複数ヘッド化の効果について報告する。

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