Dune cdr the Single-Phase Protodune

Chapter 6: Test beam specifications
6–155
(FTBF) are underway to assess precisely their efficiency and timing capabilities. The pulses from
the pLAPPDs will be read out by a fast waveform digitizer. The tests at the FTBF include the
development of an artDAQ-based DAQ and potentially a ToF trigger module capable of providing
a particle trigger to the ProtoDUNE-SP DAQ. Larger area pLAPPDs can be made to match the
H4 beam profile.
Figure 6.9: Photo of one pLAPPD time-of-flight device as proposed for the H2 and H4 beamlines.
Alternative Time-of-flight system
The scintillating-fiber monitors can be used also for ToF purposes with the goal of a 1-ns timing
resolution, suitable for low momentum (< 2 GeV/c) beams. The idea is to read out the detectors
with the STiC ASIC [48] (a mixed mode Si photomultiplier readout ASIC for time-of-flight appli-
cations) for SiPM readout. In this configuration, the time resolution would be dominated by the
fiber response. Monte Carlo simulations estimate a resolution better than 1 ns. A small prototype
will be built and tested in the next few months to fully validate this solution.
6.3.3
Material budget and discussion
The set of beam detectors considered for instrumenting the H4 tertiary beamline include five beam
monitors (two for tracking and three for spectrometry), two ToF devices, and two high-density
or pressure gas Cherenkov detectors. The selection of the beam detector configuration in the
beamline depends on the type of beam (electron of hadron), and on the beam momentum range.
For the electron beam and for low-momentum hadron beams the amount of detector material
along the beamline may result in particle energy degradation and significant reduction of the beam
rate delivered at the active detector due to scattering outside the beam pipe. A FLUKA[36, 35]
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 6: Test beam specifications
6–156
simulation was used to evaluate these effects accounting for the detector materials in the beamline,
and materials of the beam window, cryostat and beam plug. Figure 6.10 shows the cumulative
increase of the material budget along the tertiary beamline from the target to the TPC, expressed
in terms of fraction of radiation length (red line – total 0.6X
0
) and of interaction length (black
line – total 0.15λ
I
). The average energy loss for a MIP is about 28 MeV. The largest contribution
to the energy loss and energy degradation is from the high-pressure Cherenkov detectors and
the pLAPPD. Except for a low-pressure Cherenkov counter for electron discrimination, the high-
pressure Cherenkov are not necessary at low hadron beam momenta and can be removed or just
emptied.
Scintillating-fiber beam monitors can replace the pLAPPD as ToF devices for the
lowest-momentum beam.
Figure 6.10: Material budget in the beamline, as a function of the distance from the center of the
detector (in cm). The red line describes the amount of X
0
, the black line the amount of interaction
length, both read on the left axis. The black dotted line is the average energy lost by a MIP, and is read
on the right axis (in MeV). Vertical lines show the positions of the various beam monitors (between
the two blue lines are the three devices for spectrometry, “bm” is the last beam monitor, “bw” is the
starting point of the beam window).
As low-energy pions and protons cross the detector material, scattering significantly reduces their
contribution to the low-momentum hadron beam that reaches the detector’s active volume. For
example, at 1 GeV/c the rate of pions arriving at the detector is reduced by a factor of 2.5, and
the rate of protons is reduced by a factor of 4.
6.3.4
Trigger and data acquisition
The beam instrumentation can provide a trigger signal, which would be built from the coincidence
of the last two beam monitors, and vetoed by the electron-tagging Cherenkov for low-energy beams.
It can also provide a trigger mask to indicate the status of the other counters. Synchronization of
the detector data acquisition (DAQ) with the beam instrumentation DAQ is ensured by a common
time stamp through a White Rabbit network.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 6: Test beam specifications
6–157
Beam instrumentation data will be read out independently on a separate DAQ stream. How-
ever, the beam data fragments corresponding to events with a valid trigger from both beam and
ProtoDUNE-SP will be merged offline with the detector data.
6.4
Muon Tagger
6.4.1
Overview
The ProtoDUNE-SP muon tagger, called the Cosmic Ray Tagger (CRT), enables tagging and
reconstruction of muons crossing the TPC volume. It is intended to provide a sample of tracked
comic-ray muons (and beam halo muons), with known t0’s, to map out the effects of space charge,
which are expected to be large. It will also aid in measuring the electron lifetime in the TPC.
The ProtoDUNE-SP CRT is an assembly of highly segmented scintillator-strip modules and read-
out electronics that were originally built for the Double Chooz large-area muon-tagging system,
called the Outer Veto.
The modules have been fully tested and are currently stored relatively close to CERN in Strasbourg.
The PMTs and front-end electronics require shipping from Virginia Tech.
Whereas the Double Chooz Outer Veto modules are installed horizontally above the detector,
ProtoDUNE-SP arrays the modules in panels that are oriented vertically and installed on the
upstream and downstream sides of the detector, as shown in Figure 6.11.
6.4.2
CRT module design and readout
The CRT module design is illustrated in Figure 6.12. Each module contains 64 5-cm wide × 1-cm
thick × 320-cm long scintillator strips in two 32-strip layers; the strips in both layers are parallel
to each other, and offset by half a strip width. This provides an effective pitch of 2.5 cm.
Each scintillator strip has a 1.5-mm diameter wavelength-shifting fiber inserted into a hole created
during the extrusion process. Given the space required for the fiber routing at the end, the
resulting modules are 3.6-m long, 162.5 cm wide and about 2 cm thick. The modules are covered
with aluminum as shown in Figure 6.13).
The 64 wavelength-shifting fibers on one end (right-hand side of Figure 6.12) are coupled to a
Hamamatsu M64 multi-anode photomultiplier tube (PMT); the other fiber ends are mirrored for
reflection. Each M64 is connected to a custom front-end board with a MAROC2 ASIC and an
FPGA as shown in the inset of Figure 6.13. The MAROC2 allows adjustment of the electronic
gain of each of the 64 channels; this is needed to correct for the factor-of-two pixel-to-pixel gain
variation in the M64. Signals that exceed a common threshold are sent to a multiplexed 12-bit
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---