Dune cdr the Single-Phase Protodune

Chapter 2: Detector components
2–72
connectors machined directly into the CE feedthrough, so there is no electrical connection between
the LV power and data connectors and wire-bias voltages. The length of the cables from the
Weiner mainframe to the signal flanges is estimated to be 18 meters.
Optical fibers provide the connections between the WIECs, which act as Faraday-shielded boxes, to
the DAQ and slow control systems. Each WIB uses QSFP sockets for four pairs of fiber, implying
a total of 120 optical data lines for the 30 WIB boards in the system. The optical fibers from the
signal flanges to the DAQ room are estimated to be 30−40 m in length.
Duplex LC optical fiber is under consideration for transmitting the one GIG-E connection from
each WIB to the slow control system. The WIB reports the current draw from each FEMB to the
slow control system, while the current draw for each APA is monitored at the mainframe itself.
2.7
Photon detection system (PDS)
LAr is an excellent scintillating medium and the photon detection system (PDS) is used to obtain
additional event information from the photons produced by particles traversing the detector. With
an average energy of 19.5 eV needed to produce a photon (at zero field), a typical particle depositing
1 MeV in LAr generates 40,000 photons with a wavelength of 128 nm. In higher electric fields this
number is reduced, but at 500 V/cm the yield is still ∼20,000 photons per MeV. Roughly 1/4 of
the photons are promptly emitted with a lifetime of about 6 ns, while the rest are produced with a
lifetime of 1100–1600 ns. Prompt and delayed photons are detected in precisely the same way by the
photon detection system. LAr is highly transparent to the 128-nm VUV photons with a Rayleigh
scattering length of (66 ± 3) cm [3] and absorption length of >200 cm; assuming a LN
2
content
of less than 20 ppm. The relatively large light output makes the scintillation process an excellent
candidate for determining the t
0
for non-beam related events. Detection of the scintillation light
can also be helpful in performing background rejection and triggering on non-beam events.
2.7.1
Scope and requirements
The photon detector system (PDS) includes the following components:
•
Light collection system including wavelength shifter and light guides
•
Light sensors: Silicon photo-multipliers (SiPMs)
•
Readout electronics
•
Monitoring system
•
Related infrastructure (frames, mounting boards, etc.).
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–73
The primary requirement is the detection of light from proton decay candidates (as well as beam
neutrino events) with high efficiency to enable 3D spatial localization of candidate events. The
assumed light yield necessary for meeting this requirement is 0.1 pe/MeV for a particle track
near the cathode plane (the farthest possible location from the PDS) after the application of all
relevant detection efficiencies. In DUNE, the TPC provides supernova neutrino detection, while
the detection of light from supernova neutrino interactions localize the events and disentangles
them from background noise in the TPC. The photon system provides the t
0
of events relative
to TPC timing with a resolution better than 1 µs (providing position resolution along the drift
direction on the order of a couple of mm). Measurements will determine the absolute light yield
by measuring light from beam particles and cosmic ray muons tracked in the TPC or identified by
external muon trigger counters.
Figure 2.50 shows the layout for the photon detector system described in this section.
Figure 2.50: Overview of the PDS system showing a cartoon schematic (a) of a single PDS module in
the LAr and the channel ganging scheme used to reduce the number of readout channels. Panel (b)
shows how each PDS module is inserted into an APA frame. Ten photon detectors (PDs) are inserted
into an APA frame.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–74
2.7.2
Photon detector modules
Two different styles of PDS modules are planned to be installed in the detector. The two de-
signs test similar light-collection strategies, which differ primarily in the number of times the LAr
scintillation light is shifted.
The first design, shown schematically in Figure 2.50. is based on wavelength-shifting radiator plates
mounted to wavelength-shifting light guides. The plates are coated with tetraphenyl-butadiene
(TPB) to produce blue (430nm) light from the 128-nm VUV scintillation light. This blue light
is absorbed by the commercially produced wavelength shifting (WLS) polystyrene bar with Y-
11 fluor, producing green light, which is transmitted through the light guide to the photosensor
mounted at its end. The radiator plates are held captive in mounting blocks that are glued to the
WLS bar at regular intervals as shown in Figure 2.51.
Figure 2.51: Mounting of the radiator plates to the WLS bar for the reference design scheme
The second design uses the same mounting, but with no radiator plates installed. Instead, an
acrylic light-guide bar is dip-coated with a solution of TPB, solvents, and a surfactant to produce
a wavelength-shifting layer on the outside surface of the bar. The 128-nm VUV scintillation light
is shifted to blue light within the surface coating and transmitted directly through the lightguide
to the photosensor. Because the design uses only one wavelength shifting step, potential efficiency
increases are possible.
2.7.3
Sensors
The planned photodetector is a SiPM, model SensL C-Series 6 mm
2
(MicroFB-60035-SMT). This
model of SiPM has a detection efficiency of 41%; the quoted detection efficiency incorporates
Quantum Efficiency (QE) and the effective area coverage accounting for dead space between pixels.
At LAr temperature (89 K) the dark rate is of order 10 Hz (0.5 p.e. threshold), and after-pulsing
has not been observed. An on-going testing program is in place to ensure that the SiPMs can
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---