Dune cdr the Single-Phase Protodune

Chapter 2: Detector components
2–31
Each CPA column is suspended under the cathode support rail by a single insulating FR4 bar. On
the top and bottom edges of a CPA, two hinges support the partial weight of the top and bottom
field cage modules. Adjacent CPAs are aligned through pin-and-slot connections to maintain
co-planarity while allowing minor relative vertical shifts due to cryostat roof movement.
The electrical connectivity of the resistive panels within a CPA column is maintained by several
tabs through the edge frames. There is no direct electrical connection across the CPA columns.
Instead, the voltage is passed from one column to another through embedded cables in the CPA
panels referred to collectively as the HV bus. Redundant connections in the HV bus between CPA
columns are used to ensure reliability. The HV bus also provides a low-resistance path for the
voltage needed to operate the FC resistive divider chains. The required connections to the FC
modules are made at the edges of the cathode plane. Along the perimeter of the CPA, the HV bus
cables are hidden between the field-shaping strip overhang and the main cathode resistive sheet.
The cables must be capable of withstanding the full cathode bias voltage to prevent direct arcing
to (and as a result, the recharging of) a CPA panel that discharges to ground.
The outer edges of the cathode plane facing the cryostat wall are populated with the same metal
profiles, with insulating polyethylene caps, as used in the field cage. This eliminates the need for a
special design of the most crucial regions of the cathode plane: the edges of the CPA now look just
like a continuation of the FC. Since these profiles are the only objects facing grounded surfaces,
they are the most likely candidates to have HV discharges to ground. To limit peak current flow,
these edge profiles are resistively connected to the field shaping strips.
The resistive surface concept is illustrated in Figure 2.15.
The CPA is connected to the HV feedthrough through a receptacle, called the HV cup, at the
back end of the cryostat (with respect to the beam entrance) and biased at −180 kV. It provides
this voltage and the required current to all the FC modules (top, bottom and end walls) through
electrical interconnects (Section 2.4).
The main criteria for the selection of Kapton as the resistive material to be used to coat the CPA
module panels are:
•
surface resistivity range,
•
compatibility with cryogenic temperatures,
•
robustness to HV discharges,
•
material ageing,
•
radio-purity,
•
ability to coat a large surface area, and
•
flatness, per the cathode flatness requirement.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

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Chapter 2: Detector components
2–32
Figure 2.15: The resistive surface CPA concept showing a 3D model of a corner of the cathode with
major components.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

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Chapter 2: Detector components
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Figures 2.16 and 2.17 show the basic geometry of the cathode plane. Figure 2.17a shows the block
at the top of a CPA that is secured to the top cross bar and extends to the top supporting I-beam.
This block must support the weight of four half FCs (4 × 150 lbs) and the weight of the CPA
itself (160 lbs) for a total weight of approximately 750 lbs. Design analysis was done with earlier,
heavier FCs (220 lbs). Figure 2.18 shows how the FC is attached to the assembled cathode plane.
Deformation and stress due to pressure from circulating LAr
Calculations indicate that a uniform 2-Pa pressure applied to the resistive panels during cooldown
will result in 0.090 inch deflections of the panel at its center. The entire TPC (i.e., the CPA/FC/APA
assembly) will displace 8.8 mm laterally as a result of the net force from this pressure.
Thermal considerations
When the CPA modules are cooled, their width will shrink by 0.9 mm. The supporting stainless
steel beam will shrink by 1.6 mm over the width of the CPA. If the CPA supports are rigidly
attached to the supporting stainless steel beam, then an interference of 0.7 mm (the difference)
will occur. To prevent this interference and ensure contact between CPAs after cooldown, an initial
gap of 0.7 mm between CPAs is required.
The steel beam between the CPA and APA will shrink by 5.2 mm relative to the field cage
length when cooled to LAr temperature. The joint between the FC and the CPA is designed to
accommodate this shrinkage.
2.3.4
Mechanical and electrical interconnections between modules
Three modules are stacked vertically to form the 6-m height of a CPA. The frames of these modules
are bolted together using tongue-and-groove connections at the ends. The resistive cathode sheets
and the field-shaping strips are connected using metallic tabs to ensure redundant electrical contact
between the CPAs.
Each CPA is suspended from the cathode rail using a central lifting bar. Due to the roof movement
between the warm and cold phases of the cryostat as it is cooled, each CPA is expected to move
∼
2 mm relative to its neighbors. Several pin-and-slot connections are implemented at the long
edges of the CPA columns to ensure the co-planarity of the modules while allowing for a small
vertical displacement.
The HV bus provides the high voltage to the FC circuits and CPA modules with a voltage drop
much less than 0.1% of the default voltage. The location of the bus with respect to the CPA frame
is shown in Figure 2.19. The field-shaping electrodes on the faces of the CPA module frames are
part of the FC circuit, described in Section 2.4. FC electrodes on the outer edges of the CPA are
held at the cathode potential to provide field uniformity and to protect the HV bus from discharge.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

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