Dune cdr the Single-Phase Protodune

Chapter 2: Detector components
2–48
must be able to withstand −250 kV in its center conductors in a 1 atm argon gas environment
when terminated in liquid argon.
2.5.2
HV feedthrough design, power supply and cabling
The design of the HV feedthrough as well as the procurement of the HV power supply, cables, and
possibly filter circuits, are activities being jointly pursued by the ProtoDUNE-SP and ProtoDUNE-
DP efforts. In particular:
•
The Heinzinger 300-kV power supply (residual ripple less than 10
−5
) and cable specified for
ProtoDUNE-DP are well suited for ProtoDUNE-SP, which operates at a lower HV setting.
•
The present ProtoDUNE-DP HV feedthrough design is adaptable to ProtoDUNE-SP without
any major modification in its dimensions or mechanical features.
•
The filtering scheme and the monitoring system required for ProtoDUNE-SP is more de-
manding than that for ProtoDUNE-DP, due to its more sensitive front-end electronics, and
can be used for both detectors.
•
Common spare components are also being utilized.
The design of the 300-kV feedthrough is based on the very successful construction technique
adopted for the ICARUS HV feedthrough, which was operated at 75 kV without interruption
for more than three years without any failure. The feedthrough was also successfully operated for
several days as a test after the run at 150 kV. The design is based on a coaxial geometry, with an
inner conductor (HV) and an outer conductor (ground) insulated by ultra-high-molecular-weight
polyethylene (UHMW PE) as shown in Figure 2.31.
The outer conductor, made of a stainless-steel tube, surrounds the insulator, extending down
through the cryostat into the LAr. In this geometry, the electric field is confined within regions
occupied by high-dielectric-strength media (UHMW PE and LAr). The inner conductor is made
of a thin-walled stainless steel tube to minimize the heat input and to avoid the creation of argon
gas bubbles around the lower end of the feedthrough. A contact, welded at the upper end for
the connection to the HV cable, and a round-shaped elastic contact for the connection to the
cathode, screwed at the lower end, completes the inner electrode. Special care has been taken in
the assembly to ensure complete filling of the space between the inner and outer conductors with
the PE dielectric, and to guarantee leak-tightness at ultra-high vacuum levels.
2.5.3
HV monitoring
HV-circuit monitoring devices include a toroid transformer to detect spikes and noise in the current
draw, and a monitoring point at the end of the field cage resistor chain, which also provides a means
to control field shaping around the exterior APA edges by fine-tuning the voltage at the last field
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–49
Figure 2.31: Preliminary design of the HV feedthrough.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–50
cage element.
2.6
TPC front-end electronics
2.6.1
Scope and requirements
The DUNE single-phase TPC read-out electronics are referred to as the “Cold Electronics” (CE)
because they reside in LAr, mounted directly on the APA, thus reducing channel capacitance and
noise by minimizing the length of the connection between an anode wire and its corresponding
electronics input.
The CE signal processing is implemented in ASIC chips using CMOS technology, which has been
demonstrated to perform well at cryogenic temperatures, and includes amplification, shaping,
digitization, buffering, and multiplexing (MUX) of the signals. The CE is continuously read out,
resulting in a digitized ADC sample from each APA channel (wire) up to every 500 ns (2-MHz
maximum sampling rate).
The 2,560 channels from each APA are read out by 20 Front-End Motherboards (FEMBs), each
providing digitized wire read-out from 128 channels. One cable bundle connects each FEMB to
the outside of the cryostat via a feedthrough (a CE feedthrough) in the signal cable flange at the
top of the cryostat, where a single flange services each APA, as shown in Figure 2.32. Each cable
bundle contains wires for low-voltage (LV) power, high-speed data readout, and clock/digital-
control signal distribution. Eight separate cables carry the TPC wire-bias voltages from the signal
flange to the APA wire-bias boards, as shown schematically in Figure 2.33.
The components of the CE system are the:
•
Front-end mother boards (FEMBs), which house the cold ASICs and are installed on the
APAs;
•
Cables for the data, clock/control signals, LV power, and wire-bias voltages between the
APA and the signal flanges (cold cables);
•
Signal flanges with a CE feedthrough to pass the data, clock/control signals, LV power, and
APA wire-bias voltages between the inside and outside of the cryostat;
•
Warm interface electronics crates (WIECs) that are mounted on the signal flanges and contain
the warm interface boards (WIBs) and Power and timing cards (PTCs) for further processing
and distribution of the signals entering/exiting the cryostat;
•
Fiber cables for transmitting data and clock/control signals between the WIECs and the
data acquisition (DAQ) and slow control systems;
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–51
Figure 2.32: Connections between the signal flange and APA.
•
Cables for LV power and wire-bias voltages between the signal flange and external power
supplies (warm cables); and
•
LV power supplies for the CE and bias-voltage power supplies for the APAs.
The electrical cables for each APA enter the cryostat through a single signal flange, creating
an integrated unit that provides local diagnostics for noise and validation testing, and follows
the grounding guidelines in Section 2.6.2. The components, the quantity of each required for
ProtoDUNE-SP, and the number of channels that each component has, are listed in Table 2.6.
The most significant requirements for the CE are listed here. The CE shall:
•
Provide the means to read out the TPC wires and transmit their data in a useful format to
the DAQ;
•
Operate for the life of the facility without significant loss of function;
•
Dead or unusable channels at < 1%, causing > 97% of the fiducial volume to be observed by
all 3 active wire planes;
•
Record the channel waveforms continuously without dead time;
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---