Dune cdr the Single-Phase Protodune

Chapter 2: Detector components
2–17
such that an integer multiple of electronics boards reads out one APA.
The wires of the grid (shielding) layer, G, are not connected to the electronic readout; the wires
run parallel to the long edge of the APA frame; there are separate sets of G wires on the two sides
of the APA. The two planes of induction wires (U and V) wrap in a helical fashion around the
long edge of the APA, continuously around both sides of the APA. The collection plane wires (X)
run vertically, parallel to G. The ordering of the layers, from the outside in, is G-U-V-X, followed
by the mesh.
The operating voltages of the APA layers are listed in Table 2.4. When operated at these voltages,
the drifting ionization follows trajectories around the grid and induction wires, ultimately termi-
nating on a collection plane wire; i.e., the grid and induction layers are completely transparent
to drifting ionization, and the collection plane is completely opaque. The grid layer is present for
pulse-shaping purposes, effectively shielding the first induction plane from the drifting charge and
removing the long leading edge from the signals on that layer; again, it is not connected to the
electronics readout. The mesh layer serves to shield the sense planes from pickup from the Photon
Detection System and from “ghost” tracks that would otherwise be visible when ionizing particles
have a trajectory that passes through the collection plane.
Table 2.4: Baseline bias voltages for APA wire layers
Anode Plane
Bias Voltage
Grid (G)
-665 V
Induction (U)
-370 V
Induction (V)
0 V
Collection (X)
820 V
Mesh (M)
0 V
The wrapped style allows the APA plane to fully cover the active area of the LArTPC, minimizing
the amount of dead space between the APAs that would otherwise be occupied by electronics and
associated cabling.
In the current design of the DUNE-SP far detector module, a central row of APAs is flanked by
drift-fields, requiring sensitivity on both sides. The wrapped APAs allow the induction plane wires
to sense drifting ionization originating from either side of the APA. This double-sided feature is
not strictly necessary for the ProtoDUNE-SP arrangement, which has APAs located against the
cryostat walls and a drift field on one side only, but it is compatible with this setup as the grid
layer facing the wall effectively blocks any ionization generated outside the TPC from drifting in
to the wires on that side of the APA.
The choices of wire tension and wire placement accuracy are made to ensure proper operation of
the LArTPC at voltage, and to provide the precision necessary for reconstruction. The tension of
5 N, when combined with the intermediate support combs (described in Section 2.2.5) ensure that
the wires are held taught in place with no sag. Wire sag can impact the precision of reconstruction,
as well as the transparency of the TPC. The tension of 5 N is low enough that when the wires are
cooled, which increases their tension due to thermal contraction, they will stay safely below the
break load of the beryllium copper wire, as described in Section 2.2.3. To further mitigate wire
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–18
breakage and its impact on detector performance, each wire in the APA is anchored twice on both
ends, with both solder and epoxy.
2.2.3
Wire properties
Beryllium copper (CuBe) wire is known for its high durability and yield strength. It is composed
of ∼98% copper, 1.9% beryllium, and a negligible amount of other elements. The APA wire has
a diameter of 150µm (.006 in), and is strung in varying lengths across the APA frame. Three
key properties for its usage in the APA are: low resistivity, high tensile or yield strength, and
coefficient of thermal expansion suitable for use with the APA’s stainless steel frame.
Tensile strength of the wire describes the wire-breaking stress (see Table 2.5). The yield strength
is the stress at which the wire starts to take a permanent (inelastic) deformation, and is the
important limit stress for this case, though most specifications give tensile strength. Fortunately,
for the CuBe alloys of interest, the two are fairly close to each other. Based on the tensile strength
of wire purchased from Little Falls Alloy (over 1,380 MPa or 200,000 psi), the yield strength is
greater than 1,100 MPa. Given that the stress while in use is around 280 MPa, this leaves a
comfortable margin.
The coefficient of thermal expansion (CTE) describes how material expands and contracts with
changes in temperature. The CTEs of CuBe alloy and 304 stainless steel are very similar. Inte-
grated down to 87 K, they are 2.7e-3 for stainless and 2.9e-3 for CuBe [1]. Since the wire contracts
slightly more than the frame during cool-down the wire tension increases. If it starts at 5 N, the
tension rises to about 5.5 N when everything is cool.
The change in wire tension during cool-down could also be a concern. In the worst case, the wire
cools quickly to 87 K before any significant cooling of the frame – a realistic case because of the
differing thicknesses. In the limiting case, with complete contraction of the wire and none in the
frame, the tension would be expected to reach ∼11.7 N. This is still well under the ∼20 N yield
tension. In practice, the cooling will be done gradually to avoid this tension spike as well as other
thermal shock to the APA.
Table 2.5: Tensile strength and coefficient of thermal expansion (CTE) of beryllium copper (CuBe)
wire.
Parameter
Value
Tensile Strength (from property sheets) (psi)
208,274
Tensile Strength (from actual wire) (psi)
212,530
CTE of CuBe, integrated to 87 K (m/m)
2.9e-3
CTE of 304 stainless steel, integrated to 87 K (m/m)
2.7e-3
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---