Dune cdr the Single-Phase Protodune

Chapter 2: Detector components
2–40
2.4.3
Electrical design
Given a large standoff distance between the FC and the grounded cryostat wall, it is relatively
easy to design a FC that meets the 30 kV/cm electric field limit with 180 kV bias. However, as this
distance is reduced to increase the active detector volume, the design becomes more challenging.
Optimizing the active detector volume requires the use of electrodes with low profiles, rounded
edges, no trapped volumes, and low cost. Several commercially available roll-formed metal profiles
were studied and appear to meet these requirements. One of the profiles were tested in the Icarus
50 liter cryostat at a higher electric field to validate the design concept. This shape is adopted to
produce the FC profiles using aluminum extrusion.
Figure 2.22 is a simplified schematic of the electrical design of the CPA and a top/bottom field
cage module pair.
Figure 2.22: A schematic diagram of the CPA and a top/bottom field cage module pair
2.4.4
Top/bottom FC assemblies and ground-plane modules
In order to prevent high electric field entering the gas argon volume above the TPC, a grounded
metallic plane is installed between the upper FC profiles and the liquid-gas interface. The same
arrangement, flipped upside down, is used for the bottom FC assemblies to minimize the electric
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–41
field on the cryostat floor and cryogenic services. Each of the six top FC assemblies has five
ground plane (GP) panels attached to it, aligned along their long (2.3 m) dimension. The GPs are
connected to the FC I-beam with additional FRP standoffs that are also used to connect adjoining
GP panels. Figure 2.23 shows the frame of a top/bottom FC assembly and Figure 2.21 shows a
3D model of a fully assembled FC module with attached GP panels.
Figure 2.23: The frame structure of a top/bottom FC assembly
The electrical connections between adjacent GP panels are to be made with flexible copper braids
to accommodate the relative movement of the structure during cool down. The top GP panels
are connected to the mechanical feedthroughs used by the DSS, while the bottom GP panels are
connected to metal studs welded on the cryostat floor.
In addition to the six primary GP panels attached to the top FC modules, Smaller panels are
added to fill the gap between the FC modules directly above the CPA, and surround the CPA
lifting bars. These smaller panels are connected to the modules on one side of the CPA so that,
once in position, they cover the CPA frame.
2.4.5
Interfaces to other TPC components
FC to CPA and APA
On each of the top and bottom FC assemblies, a pair of hinges connects each FC module to
two CPA columns. These hinges allow the FC modules to be pre-attached to the CPAs during
installation, preventing accidental damage to the APA wire planes when FC modules are raised
or lowered and connected to the APAs. The mechanical connection between a top/bottom FC
module and the APA is maintained by a pair of custom-designed latches that transfer the load of
the FC module to the APA without imparting a bending moment.
The end-wall FC assemblies are hung from the CPA and APA support rails. There is no rigid
mechanical connection between the end-wall FC assemblies and the CPAs or APAs.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–42
Each top and bottom FC module has one electrical connection each to the APA and the CPA.
Even though each end-wall FC assembly has a resistive divider chain, once these four assemblies
form the end-wall panel, the four divider chains are also consolidated into one connection each to
the APA and the CPA to minimize access requirements at different heights.
Figure 2.24: A top field cage module (grey) connected to two CPA modules underneath (brown)
The voltage on the last field cage electrode near the APA is about −5.5 kV at the nominal 500-V/cm
drift field. A nominal step-down resistor is used to bring this voltage to about −1 kV and form
a dual- purpose bias/monitoring point. A HV cable connects this point to an SHV feedthrough
on the TPC signal feedthrough flange, which enables either monitoring of the field cage divider
current, or fine tuning of the drift field near the APAs.
FC to beam plug
The LAr-displacement beam plug, a cylindrical glass-fiber composite pressure vessel, about 50 cm
in length and 22 cm in diameter, is filled with nitrogen gas via a stainless steel line that extends
to the top of the cryostat. It is illustrated in Figure 2.25. A pressure relief valve (or burst disk) is
installed on the nitrogen fill line on the top of the cryostat (externally) to ensure the pressure inside
the beam plug does not exceed the safety level of about 22 psi. The nitrogen system schematic
is shown in Figure 2.26. The beam plug is secured to the FC support structure as illustrated in
Figure 2.29. The front portion of the beam plug extends 5 cm into the active region of the TPC
through an opening in the FC. The FC support is designed with sufficient strength and stiffness to
support the weight of the beam plug before filling, while it is suspended in air. When the cryostat
is filled with LAr, the beam plug is roughly neutrally buoyant. The total internal volume of the
beam plug is about 16 liters.
The requirements on the acceptable leak rate is between 7.8 × 10
−5
scc/s and 15.6 × 10
−5
scc/s.
This is very conservative and is roughly equivalent to leaking 15% of the nitrogen in the beam plug
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---