Dune cdr the Single-Phase Protodune

Chapter 2: Detector components
2–75
reliably survive the stresses associated with any thermal cycling in LAr and long-term operation
at LAr temperature.
All photodetectors are subjected to testing to determine forward and reverse bias I-V curves,
breakdown voltage, dark current and dark count rate, photodetector gain, crosstalk estimation,
response, and bias dependence of parameters.
Each SiPM is tested before mounting on the readout boards to determine if the part meets the
specifications in a warm test. After mounting to the readout board all items are tested both warm
and cold (cyrogenic temperature) to determine the operating characteristics.
In addition to these tests, the photodetectors are tested for their response to light signals from an
LED of appropriate wavelength. These tests will be sensitive enough to determine if one of the
three SiPM elements operating in parallel is not functioning.
2.7.4
Mechanical design and installation
The PDS is configured as a set of modules that are mounted on the APA frames. A PDS module
is the combination of one light guide (also called a “bar” due to its shape) and 12 SiPMs, as
shown in Figure 2.50 (a). The APA frames hold ten PDS modules, approximately 2.2-m long,
86-mm wide and 6-mm thick, equally spaced along the full length of the APA frame, as shown in
Figure 2.50 (b). The light guides are inserted into the APA frame on rails gliding on their radiator
plate mounting blocks, as shown in Figure 2.52.
Figure 2.52: (left) Rendering of the installation of a PDS module into an APA frame, shown just before
it comes to rest on the inside face of the APA tube. (right) Rendering of the the SiPM mounting board
installed on the end of the PDS module before insertion.
The mounting system has been tested using a prototype PDS module as shown in Figure 2.53.
Each photon detector has a single SiPM mounting board with 12 surface-mount SiPMs mounted
on its face as shown in Figure 2.54 (left). Four groups of 3 SiPM elements go to single channels
of the readout electronics in order to reduce the overall system cost. The board is held close to
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–76
Figure 2.53: Photograph of the installation test of a mock PDS module in a 1/5 section of an APA
frame.
the bar, without touching, using four screws that go into tapped holes on the end mounting block
that is glued to the bar. The mounting block assembly is shown in Figure 2.52 (right) The circuit
board also has holes at each end for mounting to the APA frame.
Figure 2.54: Photograph of a SiPM mounting board with the full complement of 12 SiPMs installed on
the board (left), and with the RJ-45 connector for the cable (right).
The cabling plan for the system has one cable with four shielded twisted pairs connected to each
SiPM mounting board via the surface mount RJ-45 connector shown mounted on the back of the
readout PCB in Figure 2.54 (right). The cables run through the APA tubing to the top of the
APA frame as seen in Figure 2.55. The cable bundles are installed and connected after the PD
has been installed into the slot.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–77
Figure 2.55: Diagram showing the routing of the PDS cables through the APA frame.
2.7.5
Alternative photodetector under development
While a sufficient number of the two types of PDS modules are being produced to fully outfit
the detector, it is possible that a few of the 60 APA slots will be used to house experimental
photon detectors. One type of detector that is being developed in an attempt to increase the light
detection eficiency is referred to as the ARAPUCA design.
The ARAPUCA design is based on a new technology that allows for the collection of photons in
a 5×5-cm
2
window with detection efficiencies at the level of several percent. The trapped light is
detected by two SIPMs (SensL 60035 - 6×6 mm
2
active area each). The basic concept behind the
ARAPUCA design is to trap photons inside a teflon box, of dimensions of 5×5×1 cm
3
, with highly
reflective internal surfaces, such that the detection efficiency of the trapped photons remains high
even with limited sensor coverage on these internal surfaces [4].
Photon trapping is achieved by using a wavelength-shifting technique coupled with the technology
of the dichroic shortpass optical filters. The latter are multilayer acrylic films with the property
of being highly transparent to photons with a wavelength below a tunable cut-off while being
almost perfectly reflective to photons with wavelength above the cut-off. A dichroic shortpass
filter deposited with two different wavelength shifters (one on each side) is the core of the device.
In particular, it serves as the acceptance window for the ARAPUCA device. The rest of the device
is a flattened box with highly reflective internal surfaces (PTFE, 3M-VIKUITI ESR, . . . ), closed
on the top by the dichroic filter deposited with the two shifters. A fraction of the internal surface
of the box is occupied by the active photo-sensors (Silicon Photomultipliers, or SiPMs) that detect
the trapped photons.
It is envisioned that several of these devices could be installed on the detector to directly compare
their performances with those of the other PDS modules. A mechanical solution has been developed
such that 16 of the ARAPUCA devices can be installed on the same mounting structure used for
the other PDS modules as shown in Figure 2.56.
The readout scheme foresees the ganging of the SiPMs from two ARAPUCA devices (four sensors
total). The 16 devices on one mounting structure then have a total of four readout channels, which
can take advantage of the same cabling and readout scheme used for the other PDS modules.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---