Status report on MURAYtelescope R&D
Pasquale Noli
 on behalf of Mu-Ray collaboration
Outline
Motivation
Measurement principles
The MURAY telescope
Fiber optical  connector
SiPM hybrid connector
SiPM from IRST-FBK test
Front End electronic and DAQ
Conclusions
23/09/2010
SIF 2010 Bologna
2
50
300
200
Conduit length =8000m
Gas content = 5 wt%
20
1631eruption
Pompeieruption
100,000 ton/s
100
Motivation
Volcano-eruption dynamics mostly depend on
 the gas content
the chemical composition of the magma
the lava-conduit dimensions and shape.
Seismic,
gravimetric,
electromag.
methods:
Several km
Muon radiography:few hundreds m
Traditional measurement methods :
 gravimetric
 seismological
 electromagnetic
Have spatial resolutions of the  order of severalhundredmeters.
Muonradiographycan improve resolutions
 by one order of magnitude.
Simulated Mass eruption rate vs. ConduitSimulated Mass eruption rate vs. Conduit
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Muon Radiography
Muon radiography is based on the measurement of theabsorption of cosmic muons inside matter.
The first application was realized in 1971 by Alvarez andcollaborators for the search of unknown burial cavities in theChephren pyramid.”
In recent years Tanaka and collaborators, from University ofTokyo, have demonstrated the possibility to use thistechnique, to study the internal structure of volcanoes.
The spatial resolution that can be obtained with this methodis of the order of 10 m.
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Measurement principles (I)(No background hypothesis)
The observed number of muons is a function of the muonflux crossing the volcano volume seen along the direction(,)  the absorption factor A, and the detector efficiency  :
In the limit of neglecting the  dependence of cosmic ray flux,the product of the muonflux times detector efficiency can bemeasured using special runs pointing to “free” sky region
 Then the absorption can be evaluated as:
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Measurement principles (II)
Starting from the theoretical muon flux distribution (Thompson andWhalley  expression) , we compute the expected muon transmissionrate through water meter equivalent for each  direction.
For each (θ,) direction we can obtain  the mean rock density fromthe ratio between:
 the water meter equivalent  length relative to A.
thickness of montain.
.
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The MURAY telescope (I)
Two 2x2 m2 X-Y stations
C:\Users\Pasquale\Dati applicazioni\Desktop\Foto_lab_MuRay\P2100065.JPG
 Triangular shape scintillators (from Fermilab)
Scint. light collected by WLS one-side mirrored fiber
  (BCF92 fast response fibers from Bicron)
 Dedicated 32 fibers optical connector
 Dedicated SiPM from FBK-IRST .
They have 1.4 mm diameter and 70x70 m2
cell size, with 292 cells in total
 Dedicated hybrid hosting 32 SiPMs
SiPM temperature control by Peltier Cells
 SPIROC 0 ASIC FEE (from Orsay group)
 Dedicated read-out and acquisition board
Expected performances:
 ≈3 mm space resolution (by measurement of
 charge sharing between two adjacent strips)
 ≈ 1ns time resolution
 O(10) W power consumption
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The MURAY telescope (II)
asso_modulo_compl.pdf
2 m
32 scintillator bars module (0.5 m large), with barsglued together and on a G11 fiberglass support plate
Fibers’ connector
SiPM hybrid connector
0.5 m
triangoli.jpg
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The MURAY telescope prototype (I)
A prototype is under construction
 3 X-Y stations 1x1 m2 area
 SPIROC 1 ASIC FEE
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A special tool designed and built for precision assembly of the 32 bars in a plane
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C:\Users\Pasquale\Dati applicazioni\Desktop\G5\DSCN1565.JPG
C:\Users\Pasquale\Dati applicazioni\Desktop\G5\DSCN1549.JPG
C:\Users\Pasquale\Dati applicazioni\Desktop\G5\DSCN1558.JPG
DSC07589.JPG
Fiber optical connector
A special connector (made of black Plexiglas) has been developed for high-precisionpositioning of the fibers in front of the SiPMs.
32 fibers  are glued on the  connector that will be fixed to the module chassis.
The fiber connector is mechanically coupled with a hybrid circuit  hosting the SiPMs.
DSC07589.JPG
DSC07590.JPG
MAGNIFICATION OF THE GLUE TANKS
SIPM SIDE
FIBER SIDE
O RING  SEAT
Al PROTOTIPE
Reference hole
C:\Users\Pasquale\Dati applicazioni\Desktop\Materiale per Orsey\Foto\DSCN1438.JPG
Al prototype
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SiPM hybrid connector
In order to optimize the cooling by Peltier cells, we decided to group together
32 die SiPM in a single PCB.
One side of the Peltier cells is thermally in contact with the back side of the PCB.
A rubber O-ring ensures light and air tightness.
Two temperature sensors are located on the PCB for the Peltier cells control circuit.
The first 5 hybrid PCB have been produced in Florence.
C:\Users\Pasquale\Dati applicazioni\Desktop\Materiale per Orsay\Foto\DSCN1457.JPG
due
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First test on SiPM
We studied the V break-down of the SiPM  of first  hybrid connector.
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C:\Users\Pasquale\Dati applicazioni\Desktop\FigureSif2010\VB_distribution(2).gif
C:\Users\Pasquale\Dati applicazioni\Desktop\FigureSif2010\caratteristica.gif
C:\Users\Pasquale\Dati applicazioni\Desktop\FigureSif2010\I_distribution(2).gif
Front End electronic and DAQ (I)
Spiroc 1: we have 18 chips, enough for the 1x1 m2 prototype
The FE board (Slave)  and the trigger-DAQ board (Master) have been designed. The firstprototypes have been realized and are under test.
DSCN1095.JPG
DSCN1100.JPG
DSCN1106.JPG
MASTER
SLAVE
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Conclusions
We are presently assembling the first MU-RAY prototypemodule
The SiPMs produced at IRST-FBK are assembled on hybridconnector and are under test in Naples.
A special optical connector with SiPMs and Peltiercooling hasbeen designed and built.
The readout electronics has been designed and is under test.
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