Dune cdr the Single-Phase Protodune

Chapter 2: Detector components
2–34
Figure 2.16: Basic geometry of the CPA array, close ups and a CPA column (on its side)
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Chapter 2: Detector components
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Figure 2.17: Views of various parts of a CPA. Top: the block at the top of a CPA. Middle: hardware
connecting two vertically stacked CPA modules.
Bottom: connection between two adjacent CPA
columns.
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Chapter 2: Detector components
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Figure 2.18: Hinged connection between CPA and FC module; the top field cage modules are hung
vertically with the CPAs when moved into the cryostat, then rotated to horizontal to attach to the
APA.
Figure 2.19: A perspective view of CPA frame showing the location of the HV bus cable and attachments
to the HV cup and resistive cathode, with CPA frame electrodes omitted to make HV bus visible.
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Chapter 2: Detector components
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2.4
Field Cage (FC)
2.4.1
Scope and requirements
In the TPC, each pair of facing cathode and anode planes form an electron-drift region. A field
cage (FC) must completely surround the four open sides of this region to provide the necessary
boundary conditions to ensure a uniform electric field within, unaffected by the presence of the
cryostat walls. The scope of the FC includes:
•
six top FC assemblies;
•
six bottom FC assemblies; and
•
four end-wall panels, each of which consist of four (side) assemblies.
Each assembly is made up of
•
parallel metallic profiles;
•
a resistive divider chain that interconnects the parallel metal profiles to provide a linear
voltage gradient;
•
FRP I-beams or box beams that form an insulating mechanical support structure for field
cage assemblies; and
•
ground planes (GP) for the top and bottom assemblies, five GP panels per FC module.
In addition, the FC assemblies include attachment fixtures to make the mechanical connections to
the CPA and APAs. One end-wall assembly is specially configured to accommodate the cylindrical
beam plug, which displaces the LAr in the region where the beam enters the cryostat.
The FC is required to:
•
provide the nominal drift field of 500 V/cm;
•
withstand −180 kV near the cathode;
•
define the drift distance between the APAs and CPAs to <1 cm;
•
limit the electric field in the LAr volume to under 30 kV/cm;
•
miminize the peak energy transfer in case of a HV discharge anywhere on the field cage or
cathode;
•
provide redundancy in the resistor divider chain;
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Chapter 2: Detector components
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•
maintain the divider current much greater than the ionization current in the TPC drift cell,
yet less than the power supply current limit when all dividers are connected in parallel;
•
be modular in form such that it can be easily installed in the cryostat;
•
provide support for the beam plug;
•
support a 200-lb. person standing on the support beam of the bottom FC module; and
•
prevent any trapped volume of liquid.
2.4.2
Mechanical design
The FC has six top and six bottom FC assemblies, arranged in sets of three along each horizontal
boundary of the two drift regions. It has four end-wall panels (each made up of four end-wall
assemblies), one covering each vertical boundary of the two drift regions, shown in Figures 2.1
and 2.20. Each endwall panel consists of four assemblies in “landscape” orientation, stacked
vertically. FC assemblies are constructed from pultruded FRP I-beams and box beams that support
extruded field-shaping aluminum profiles. The support structure for each of the top and bottom
FC assemblies consists of two main I-beams that are 3.6 m long, and three cross I-beams that brace
the main I-beams for structural stability. The main I-beams have cutouts to hold the field-shaping
profiles.
Aside from the profiles themselves, the nuts and bolts holding them, and the ground plane panels,
all FC components are made of insulating material. The material selected for these structural
components is fiberglass-reinforced plastic (FRP), which has good mechancal strength at cryogenic
temperatures and low CTE. The ground plane panels are made of stainless steel, perforated to
allow liquid argon circulation.
The inward-facing side of the ground planes are approximately 20 cm away from the top of the
field-shaping profiles, mounted at this fixed distance by standoffs. Figure 2.21 shows a set of
ground planes situated over the I-beams and cross beams attached to a FC assembly.
The parallel metal profiles in each FC assembly are interconnected by a resistive divider chain, and
supported by the FRP beams that span the drift distance. Between adjacent field cage assemblies,
however, the metal profiles are neither mechanically nor electrically connected. Gaps between
assemblies that range from a few millimeters to a few centimeters are designed into the TPC
assembly to ensure sufficient clearance for the installation. The electrical isolation between the
field cage modules minimizes the peak energy dump in case of a HV discharge.
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Chapter 2: Detector components
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Figure 2.20: A view of a the top most end-wall field cage assembly. An end-wall panel consists of a
stack of four of these assemblies (each in landscape orientation). This top assembly has attachment
features connecting to the DSS support beams.
Figure 2.21: The field cage with ground planes
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