Dune cdr the Single-Phase Protodune

Chapter 2: Detector components
2–26
E-field lines near the symmetry plane between two APAs, where a roughly 10-mm band of field
lines land on the edge of the boards holding the wrapped wires. The right plot shows the field lines
with the electron diverter installed (at the left edge of the plot); here, all field lines are pushed to
the active region.
Figure 2.11: Left: field map of the region near the inactive gap of an APA without the electron diverter;
Right: field map with the electron diverter in place. Electric field lines are shown in black, equipotential
contours are in white, and electric field strength is represented in color gradient.
The leading edge of the diverter board is 25 mm above the grid plane. The first electrode is flush
with the leading edge of the board, and the second electrode just clears the grid plane. Both of
them are 5 mm wide. The leading electrode is biased at a nominal voltage of −2300 V, and the
inner is biased at -1300 V. Figure2.12 shows the electron diverter boards mounted on a side of
an APA. A total of 10 boards are screwed onto the APA frame using existing tapped holes. The
topmost board has low pass RC network to filter the voltages fed to the electrodes. These boards
will be installed on two APAs on one side of the drift, leaving the other drift volume without such
a feature, for comparison.
2.2.6
Interconnection features
CE boxes
Pins extending outward from the CR boards provide connections from the APA to the modularly
designed CE, and the CE modules are housed in small boxes that provide shielding. The CE boxes
are illustrated in Figure 2.13. Each board stack has one CE box installed near it that holds the
CE module for the stack.
Putting the electronics in small boxes simplifies installation and replacement, and also helps with
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–27
Figure 2.12: A view of a corner of an APA with a full set of electron diverter boards installed (along
right-hand edge in diagram). The first board, with its end at the top of the APA (the top of the
APA is in the foreground) has the bias voltage connectors and RC filtering network (brown with blue
connectors protruding). The reddish-brown strips on the boards are the strip electrodes. The rest of
the boards (delineated by blue lines) are interconnected through copper wires soldered to the ends of
the strip electrodes.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–28
the dissipation of argon gas generated by the warm electronic components. The CE modules are
mounted in such a way that any of them can be removed from a single side of the APA after APA
installation.
Figure 2.13: Solid model of modular CE boxes.
Adjacent APAs
A constraint is needed between adjacent APAs to keep them co-planar. It is also important that
this constraint not apply a vertical load to adjacent APAs. The constraint takes the form of a pair
of protruding pins on one edge of the APA (one high and one low) and a pair of matching slots
on the edge of the adjacent APA to engage the pins (Figure 2.14). The pins have steel cores for
strength.
Electronics noise concerns have made it desirable to isolate APAs from each other. Therefore, the
alignment pins have G10 sleeves covering their steel cores at places where they come into contact
with the frame of the adjacent APA.
2.3
Cathode Plane Assembly (CPA)
2.3.1
Scope and requirements
The cathode plane, also called the cathode plane assembly, or CPA, is located in the middle of the
TPC, dividing the detector into two equal-distance drift volumes. The cathode plane’s 7 m × 6 m
area is made up of six CPA columns, each of which is constructed of three vertically stacked CPA
modules
. The CPA therefore consists of 18 CPA modules.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–29
Figure 2.14: The pin/slot constraint. The pin screws into an insert in the outside frame member of
one APA and engages a slot in the outside frame member of the adjacent APA. An insulating sleeve
surrounds the guiding pin to ensure electrical isolation between the APAs.
The scope of the CPA includes:
•
18 CPA modules, each with a frame and resistive cathode panel,
•
HV bus connecting the CPA columns and modules, and
•
HV cup for receiving input from the power supply.
The CPA plane is required to:
•
provide equipotential surfaces at −180kV nominal bias voltage,
•
maintain a flatness better than 1 cm when submerged in the liquid argon,
•
be constructed of materials with comparable CTEs to that of stainless steel,
•
limit the electric field exposed to LAr to under 30 kV/cm
•
prevent damage to the TPC, including its readout electronics, in case of a HV discharge
anywhere on the cathode,
•
provide constant bias voltage and current to all attached field cage (FC) resistor divider
chains,
•
support the full weight of the four connected top/bottom FC modules plus a person on the
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–30
bottom FC during installation,
•
accommodate cryostat roof movement between warm and LAr-filled states,
•
be constructed in a modular form that can be easily installed in the cryostat,
•
accommodate Photon Detection System (PDS) calibration features, and
•
avoid any trapped volume of LAr.
2.3.2
Design considerations
For the future DUNE-SP far detector, the cathode planes are planned to be 12 m tall by nearly 60 m
long. When biased to the nominal voltage of −180 kV, each of these cathode planes stores more
than 100 J of energy. If this energy were to be released suddenly and completely in a high-voltage
discharge event, it could greatly affect the integrity of the detector elements, including the sensitive
front-end electronics. Study has shown [2] that a cathode plane made of interconnected metallic
electrodes would present significant risk to the front-end ASICs based on the potential charge
injection through the capacitive coupling between the cathode and the anode wires originating
from such an event.
To address this issue in ProtoDUNE, the entire cathode plane is made out of highly resistive
material such that it has a very long discharge time constant. In the event of HV breakdown at
a given location on the cathode plane, the sudden change in voltage is restricted to a relatively
localized area on the CPA module in question. The rest of the CPA maintains its original bias
voltage, and gradually discharges to ground through the large resistivity of the cathode material.
This greatly reduces the instantaneous charge injection to the front-end electronics.
2.3.3
CPA design
CPA modules
The cathode plane design chosen for the ProtoDUNE-SP TPC is an array of 18 moderately sized
modules constructed from strong 6-cm-thick FR4 (the fire-retardant version of G10) frames. The
frames hold 3-mm-thick FR4 panels laminated on both sides with a commercial resistive Kapton
film. Each CPA module is 1.16 m wide and 2 m high, and they stack to form six CPA columns of
height 6 m. The six-column-wide CPA has the same dimensions as each of the two APA planes,
with a width of about 7 m.
The surface of the frame facing the APAs is covered by a set of resistive FR4 strips with a different
bias voltage, set such that the frame itself causes no distortion in the drift field beyond the resistive
surfaces.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---