Dune cdr the Single-Phase Protodune

Chapter 2: Detector components
2–19
2.2.4
APA frame and mesh
The stainless steel frame of the APA (Figure 2.3) is 6.06 m long, not counting electronics and
mounting hardware, and 2.30 m wide. It is 76.2 mm thick, made from imperial size 3-in × 4-in ×
0.120-in wall rectangular tubing. The cross pieces have a cross-sectional area of 2 in × 3 in, and are
connected to edge pieces using joints, as in Figure 2.4. It is mounted in the cryostat with its long
axis vertical; multiple APAs are mounted edge-to-edge to form a continuous plane. An electron
deflection technique, described in Section 2.2.5, is used to ensure that electrons drawn towards a
joint between two APAs will be deflected to one or the other, and not lost.
Figure 2.3: An APA showing overall dimensions and main components.
A fine mesh screen is glued directly to the steel frame surface, over the frame on both sides. It
creates a uniform ground layer beneath the wire planes.
The mesh is clamped around the perimeter of the opening and then pulled tight (by opening and
closing clamps as needed during the process). When the mesh is taut, a 25-mm-wide strip is
masked off around the opening and glue is applied through the mesh to attach it to the steel.
Although measurements have shown that this gives good electrical contact between the mesh and
the frame, a deliberate electrical connection is also made. Figure 2.5 depicts the mesh application
setup for a full-size ProtoDUNE-SP APA.
2.2.5
Anchoring elements and wire boards
Head electronics boards
At the head end of the APA, stacks of electronics boards (referred to as “wire boards”) are arrayed
to anchor the wires. They also provide the connection between the wires and the cold electronics.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–20
Figure 2.4: A model of the bolted joint. The holes on the top of the tube are for access to tighten the
screws. The heads actually tighten against the lower hole, inside the tube.
Figure 2.5: The mesh clamping jig for the full size APA.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–21
All APA wires are terminated on the wire boards, which are stacked along the electronics end of the
APA frame; see Figure 2.6. Attachment of the wire boards begins with the X plane (innermost).
After the X-plane wires are strung top to bottom along each side of the APA frame, they are
soldered and epoxied to their wire boards and trimmed. The remaining wire board layers are
attached as each layer is wound. The main CR boards (capacitive-resistive), which provide DC
bias and AC coupling to the wires, are attached to the bottom of the wire board stack.
Figure 2.6: Left: View of the APA wire board stack, as seen from the top/side. The wire board layers
can be seen at the bottom-left of the illustration, X on the bottom (it doesn’t go all the way back, but
extends farther forward and has the main CR board attached), followed by U, V, then G (which doesn’t
go all the way forward, and has its own CR board attached). Right: the same stack viewed from below.
The outermost G-plane wire boards connect adjacent groups of four wires together, and bias each
group through an R-C filter whose components are placed on special CR boards that are attached
after the wire plane is strung. The X, U and V layers of wires are connected to the CE (housed
in boxes mounted on the APA) either directly or through DC-blocking capacitors. The X and U
planes have wires individually biased through 50-MΩ resistors. Electronic components for the X-
and U-plane wires are located on a common CR board.
Mill-Max pins and sockets provide electrical connections between circuit boards within a stack.
They are pressed into the circuit boards and are not repairable if damaged. To minimize the
possibility of damaged pins, the boards are designed so that the first wire board attached to the
frame has only sockets. All boards attached subsequently contain pins that plug into previously
mounted boards. This process eliminates exposure of any pins to possible damage during winding,
soldering, or trimming processes.
Ten stacks of wire boards are installed across the width of each side along the head of the APA.
The X-layer board in each stack has room for 48 wires, the V layer has 40 wires, the U layer 40
wires and the G layer 48 wires. Each board stack, therefore, has 176 wires but only 128 signal
channels since the G wires are not read out. With a total of 20 stacks per APA, this results in
2,560 signal channels per APA and a total of 3520 wires starting at the top of the APA and ending
at the bottom. There is a total of ∼23.4 km of wire on the two surfaces of each APA. Many of the
capacitors and resistors that in principle could be on these wire boards are instead placed on the
attached CR boards to improve their accessibility in case of component failure. Figure 2.7 depicts
the connections between the different elements of the APA electrical circuit.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–22
At the head end of the APA, the wire-plane spacing is set by the thickness of these wire boards.
The first layer’s wires solder to the surface of the first board, the second layer’s wires to the surface
of the second board, and so on. For installation, temporary toothed-edge boards beyond these wire
boards align and hold the wires until they are soldered to pads on the wire boards. After soldering,
the extra wire is snipped off.
Figure 2.7: Diagram of the connection between the APA wires, viewed from the APA edge. The set of
wire boards within a stack can be seen on both sides of the APA, with the CR board extending further
to the right, providing a connection to the cold electronics, which are housed in the boxes at the far
right of the figure.
CR boards
The CR boards carry a bias resistor and a DC-blocking capacitor for each wire in the X and U
planes. These boards are attached to the board stacks after fabrication of all wire planes. Electrical
connections to the board stack are made though Mill-Max pins that plug into the wire boards.
Connections from the CR boards to the CE are made through a pair of 96-pin Samtec connectors.
Surface-mount bias resistors on the CR boards have resistance of 50 MΩ are constructed with a
thick film on a ceramic substrate. Rated for 2.0-kV operation, the resistors measure 0.12 × 0.24
inches. Other ratings include operation from −55 to +155 C, 5% tolerance, and a 100-ppm/C
temperature coefficient. Performance of these resistors at LAr temperature is verified through
additional bench testing.
The selected DC-blocking capacitors have capacitance of 3.9 nF and are rated for 2.0-kV operation.
Measuring 0.22 × 0.25 inches across and 0.10 inches high, the capacitors feature flexible terminals to
comply with PC board expansion and contraction. They are designed to withstand 1,000 thermal
cycles between the extremes of the operating temperature range. Tolerance is also 5%.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---