Dune cdr the Single-Phase Protodune

List of Figures
1.1
Major components of the ProtoDUNE-SP TPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
1.2
Kinetic energy at interaction point for different beam momenta . . . . . . . . . . . . .
9
2.1
The field cages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2
APA diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3
APA dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4
APA bolted joint drawing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.5
APA full-size mesh drawing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.6
APA board stack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.7
APA wire board connection to electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.8
APA side board model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.9
APA side board photo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.10 APA support comb model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.11 Field maps of the region near the inactive gap of an APA
. . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.12 Corner of APA with electron diverter boards installed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.13 Solid model of modular CE boxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.14 APA interconnect drawing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.15 Resistive surface CPA concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.16 CPA geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.17 Views of various parts of a CPA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.18 Hinged connection between CPA and FC module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.19 Model of the HV bus
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.20 An end-wall field cage assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.21 The field cage with ground planes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.22 Field cage schematic diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.23 Top/bottom FC panel with endwall frame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.24 CPA to field cage connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.25 Beam plug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.26 Beam plug nitrogen system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.27 Electric field calculation of beam plug electrode ring design
. . . . . . . . . . . . . . . 45
2.28 Electric field calculation near the vicinity of the beam plug electrode . . . . . . . . . . . 46
2.29 Beam plug to field cage interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.30 TPC HV circuit
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.31 HV feedthrough . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.32 Connections between signal flange and APA
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.33 APA wire bias schematic diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
iv

---

2.34 The CE architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.35 The front-end mother board (FEMB), as used in an early set of tests . . . . . . . . . . 57
2.36 Layout of the 16-channel FE ASIC
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.37 Measured pulse response with details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.38 The layout of the 16-channel ADC ASIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.39 Measured ENC vs filter time constant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.40 Faraday box for the FEMB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.41 CE feedthrough configuration and internal cable routing . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.42 Conceptual design of TPC CE feedthrough . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.43 TPC cable routing scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.44 Results from cable validation testing
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.45 Exploded view of the signal flange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.46 Power and Timing Card (PTC) and timing distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.47 LV power distribution to the Warm Interface Boards and FEMBs
. . . . . . . . . . . . 69
2.48 Warm Interface Board . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.49 Micro TCA power connectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.50 Photon detection system overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.51 Radiator plate mounting Blocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2.52 Diagram of PDS installation into APA frame and installed SiPM mounting board . . . . 75
2.53 Photo of PD mock installation
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.54 SiPM mounting board with 12 SiPMs and with Rj-45 connector . . . . . . . . . . . . . 76
2.55 Cables in APA frame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.56 ARAPUCA array installed in a APA frame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.57 UV-light monitoring system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.58 SSP module prototypes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.59 Block diagram of the ProtoDUNE SSP module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.60 DAQ Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.61 Warm vessel layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
2.62 Cryostat overall dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
2.63 Cross section of insulation layers on membranes
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
2.64 Front view of the cryostat with the TCO for the NP04 cryostat . . . . . . . . . . . . . 94
2.65 Detector support system (DSS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
2.66 DSS showing full set of beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
2.67 Cryogenics process flow diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
2.68 3D model of the installation
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
2.69 Detail of the internal cryogenics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
2.70 A purity monitor from ICARUS T600 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
2.71 Process control, detector control and safety systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.1
ProtoDUNE-SP cryostat in EHN1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
3.2
Conventions for labeling the four sides of the cryostat . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.3
Elevation section view of the cryostat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.4
Layout of rails in clean room and dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.1
Locations of activities in clean room . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.2
APA with the special tooling attached . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.3
PDS installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
v

---