Dune cdr the Single-Phase Protodune

Chapter 2: Detector components
2–14
•
modular boxes to hold the CE;
•
comb wire supports, mounted on cross braces distributed along the length of the APA, to
prevent wire deflection; and
•
pin/slot pairs on the side edges of adjacent APAs to maintain coplanarity.
The initial physics performance requirements that drive the design of the APA are listed in Ta-
ble 2.2. These are chosen to enable high-efficiency reconstruction throughout the entire active
volume of the LArTPC.
Table 2.2: Preliminary physics requirements that motivate APA design parameters.
Requirement
Value
MIP Identification
100
% efficiency
High efficiency for charge reconstruction
>90
% for >100 MeV
Vertex Resolution (x,y,z)
(1.5 cm, 1.5 cm, 1.5 cm)
Particle Identification
Muon Momentum Resolution
<18
% for non-contained
<5
% for contained
Muon Angular Resolution
<1
◦
Stopping Hadrons Energy Resolution
1-5
%
Hadron Angular Resolution
<10
◦
Shower identification
Electron efficiency
>90
%
Photon mis-identification
<1
%
Electron Angular Resolution
<1
◦
Electron Energy Scale Uncertainty
<5
%
The ability to identify minimum-ionizing particles (MIPs) is a function of several detector param-
eters, including argon purity, drift distance, diffusion, wire pitch, and Equivalent Noise Charge
(ENC). It is required that MIPs originating anywhere inside the active volume of the detector be
reconstructed with 100% efficiency. The choice of wire pitch combined with the design values of
the other high-level parameters, listed in Table 2.3, is expected to enable this efficiency.
The fine wire spacing of the APA enables excellent precision in identifying the location of any
vertices in an event (e.g., the primary vertex in a neutrino interaction, or gamma conversion
points in a π
0
decay), which has a direct impact on reconstruction efficiency. It is required to
reach a vertex resolution of ∼1.5 cm along each coordinate direction. In practice, the resolution
on the drift-coordinate (x) of a vertex or hit will be better than that on its location in the y-z
plane, due to the combination of drift-velocity and electronics sampling-rate uncertainties.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–15
2.2.2
APA design overview
An APA is constructed from a framework of lightweight, rectangular stainless steel tubing, with
a fine mesh covering the rectangular area within the frame, on both sides, that defines a uniform
ground across the frame. Along the length of the frame and around it, over the mesh layer, layers
of sense and shielding wires are strung or wrapped at varying angles relative to each other, as
illustrated in Figure 2.2. The wires are terminated on boards that anchor them and also provide
the connections to the cold electronics. The APAs are 2.3 m wide, 6.3 m high, and 12 cm thick. The
size of the APAs is chosen for fabrication purposes, compatibility with over-the-road shipping, and
for eventual transport to the 4850 level at SURF and installation into the membrane cryostat of a
detector module. Sufficient shock absorption and clearances are taken into account at each stage.
The dimensions are also chosen such that an integral number of electronic readout channels and
boards fill in the full area of the APA. The modularity of the APAs allows them to be built and
tested at off-site production facilities, decoupling their manufacturing time from the construction
of the membrane cryostat. As mentioned above, the principal design parameters are listed in
Table 2.3.
Table 2.3: APA design parameters
Parameter
Value
Active Height
5.984 m
Active Width
2.300 m
Wire Pitch (U,V)
4.669 mm
Wire Pitch (X,G)
4.790 mm
Wire Position Tolerance
0.5 mm
Wire Plane Spacing
4.75 mm
Wire Angle (w.r.t. vertical) (U,V)
35.7
◦
Wire Angle (w.r.t. vertical) (X,G)
0
◦
Number Wires / APA
960 (X), 960 (G), 800 (U), 800 (V)
Number Electronic Channels / APA
2560
Wire Tension
5.0 N
Wire Material
Beryllium Copper
Wire Diameter
150 µm
Wire Resistivity
7.68 µ
Ω-cm @ 20
◦
C
Wire Resistance/m
4.4
Ω/m @ 20
◦
C
Frame Planarity
5 mm
Photon Detector Slots
10
Starting from the outermost wire layer, there is first a shielding (grid) plane, followed by two
induction planes, and finally the collection plane. All wire layers span the entire height of the
APA frame. The layout of the wire layers is illustrated in Figure 2.2.
The angle of the induction planes in the APA (±35.7
◦
) is chosen such that each induction wire
only crosses a given collection wire one time, reducing the ambiguities that the reconstruction
must address. The design angle of the induction wires, coupled with their pitch, was also chosen
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–16
Figure 2.2: Sketch of a ProtoDUNE-SP APA. This shows only portions of each of the three wire layers,
U (green), V (magenta), the induction layers; and X (blue), the collection layer, to accentuate their
angular relationships to the frame and to each other. The induction layers are connected electrically
across both sides of the APA. The grid layer (G) wires (not shown), run vertically, parallel to the X
layer wires; separate sets of G and X wires are strung on the two sides of the APA. The mesh is not
shown.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---