Dune cdr the Single-Phase Protodune

Chapter 1: Introduction
1–10
To formulate a preliminary run plan, the hadron beam spectrum and rates are assumed as given in
Tables 6.2 and 6.3. For the purpose of estimating the sample composition and beam time request,
the following assumptions are used:
•
Trigger rate = 25 Hz
•
Two 4.8 sec spills per SPS Super Cycle
•
SPS Super Cycle = 48 sec
•
10
6
(10
4
) secondary particles on target per spill for hadron (electron) beam
•
Particle ID trigger for electrons from 0.5 to 7 GeV/c
•
Trigger rate for electron in hadron beam is prescaled to 0.5 Hz
•
Data collection efficiency = 50%
It has not yet been determined whether the H2 and H4 tertiary beamlines at EHN1 can run
simultaneously, or whether the secondary beam (upstream the target of the H4 beamline) will be
shared with other users. Therefore, a collection efficiency of 50% has been assumed.
It is planned to run the H4 beamline in two modes: the first configuration is optimized for the
production of hadrons and the second configuration is optimized for the production of high-purity
electrons. Even in the hadron mode, the beam is still dominated by electrons, especially for low
beam momenta. However, the electrons in the hadron beam are not particularly “clean” due to
the amount of materials in the beamline from the particle identification (PID) instrumentations.
The proposal is to heavily prescale the electron events using PID (e.g., Threshold Cherenkov
counters) trigger while running in hadron mode. The PID systems that contribute significantly to
the material budget will be removed when the beamline is reconfigured for electron beam. Various
run plan scenarios are under investigation. One of the scenarios is shown in Tables 1.1 and 1.2.
Similar values are expected for the negative beam sample.
Table 1.1: A preliminary run plan for ProtoDUNE-S P hadron beam. The expected sample (positive
beam) as a function of momentum is shown.
P
# of
# of e
+
# of K
+
# of µ
+
# of p
# of π
+
Total #
Beam Time
(GeV/c)
Spills
of Events
(days)
1
70K
84K
≈ 0
70K
689K
625K
1.5M
19.4 days
2
16K
19K
9K
36K
336K
572K
1.0M
4.4 days
3
13K
16K
26K
17K
181K
540K
780K
3.6 days
4
11K
13K
19K
16K
107K
510K
660K
3.1 days
5
11K
13K
29K
13K
96K
510K
660K
3.1 days
6
11K
13K
36K
12K
94K
510K
660K
3.1 days
7
11K
13K
42K
8K
87K
510K
660K
3.1 days
Total
143K
171K
161K
172K
1.6M
3.8M
5.9M
39.7 days
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 1: Introduction
1–11
Table 1.2: A preliminary run plan for ProtoDUNE-SP electron beam. The expected sample for positive
beam configuration is shown.
Momentum Bins
# of Spills per Bin
# e
+
per Bin
Beam Time per Bin
(GeV/c)
(days)
0.5, 06, 0.7, 0.8, 0.9, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
5000
300K
1.4
Based on the information available, the total estimated beam time needed to carry out the physics
program in this proposal, with the assumptions stated earlier, is on the order of 16 weeks.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–12
Chapter 2
Detector components
2.1
Overview
The elements composing the detector, listed in Section 1.2, include the time projection chamber
(TPC), the cold electronics (CE), and the photon detection system (PDS). The TPC components,
e.g., anode planes, a cathode plane and a field cage, are designed in a modular way. The six APAs
are arranged into two APA planes, each consisting of three side-by-side APAs. Between them, a
central cathode plane, composed of 18 CPA modules, splits the TPC volume into two electron-drift
regions, one on each side of the cathode plane. A field cage (FC) completely surrounds the four
open sides of the two drift regions to ensure that the electric field within is uniform and unaffected
by the presence of the cryostat walls and other nearby conductive structures. The sections in this
chapter describe the components individually.
Figure 2.1 illustrates how these components fit together.
Table 2.1 lists the principal detection elements of ProtoDUNE-SP along with their approximate
dimensions and their quantities.
Table 2.1: TPC detection components, dimensions and quantities
Detection Element
Approx Dimensions
Quantity
APA
6 m H by 2.4 m W
3 per anode plane, 6 total
CPA module
2 m H by 1.2 m W
3 per CPA column,
18 total in cathode plane
Top FC module
2.4 m W by 3.6 m along drift
3 per top FC assembly, 6 total
Bottom FC module
2.4 m W by 3.6 m along drift
3 per bottom FC assembly, 6 total
End-wall FC module
1.5 m H by 3.6 m along drift
4 per end-wall assembly (vertical
drift volume edge), 16 total
PD module
2.2 m × 86 mm × 6 mm
10 per APA, 60 total
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–13
Figure 2.1: A view of the TPC field cage and the central cathode plane (CPA). The APAs, which would
be positioned at both open ends of the FC, are not shown.
2.2
Anode Plane Assemblies (APA)
2.2.1
Scope and requirements
Anode Plane Assemblies (APAs) are the detector elements utilized to sense ionization created by
charged particles traversing the liquid argon volume inside the single-phase TPC. The scope of the
APAs includes:
•
a framework of lightweight, rectangular stainless steel tubing;
•
a mesh layer attached directly to both sides of the APA frame;
•
layers of sense and shielding wires wrapped at varying angles relative to each other;
•
stacked head electronics boards, which are wire boards for anchoring the wires at the top
(head) of the APA;
•
capacitive-resistive (CR) boards that link the wire boards to the CE;
•
side and foot boards along the other three edges of the APA with notches and pins to hold
the wires in place;
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---