Dune cdr the Single-Phase Protodune

Chapter 1: Introduction
1–6
The liquid argon technology is, however, sufficiently new that it would be highly desirable to
perform a long-term test of ProtoDUNE-SP, extending beyond the start of LS2, to reduce risks
associated with the extended operation of the DUNE far detector modules. This argues for cosmic-
ray operation in 2019 and most likely 2020. This extended running period would be an important
component of our risk mitigation strategy for the overall DUNE detector construction effort.
Ongoing detailed studies aim to quantify estimates regarding the level at which systematics in
DUNE oscillation measurements can be constrained through analysis of ProtoDUNE test-beam
data. The precise number of beam events required to meet the DUNE oscillation analysis physics
goals is not yet determined - but this is not the primary driver of the beam time request. It should
be noted that the run duration will depend heavily upon actual detector performance and the
beam quality (i.e., precision in particle momentum, impact position, beam PID), and that large
uncertainties will remain until both ProtoDUNE-SP and the H4 beamline are commissioned. For
all these reasons, beam operation after LS2 cannot be excluded.
1.3.1
Detector engineering validation
ProtoDUNE-SP is designed such that it will provide information on the actual far detector perfor-
mance in as close as possible a configuration to the actual far detector layout, given the practical
considerations imposed by time, space, and cost. To achieve this, the cold components are identical
to the components proposed for the far detector, to the extent possible.
The APAs are full-scale pre-production modules for the far detector. The ground connections
between the electronics, the APA mechanical structure, the photon detectors, and the detector
support structure are the same as those proposed for DUNE-SP. ProtoDUNE-SP is instrumented
with three APAs along each wall; this will test for cross talk between the middle APA and its
neighbors. Whereas DUNE-SP is designed with a 12-m-high TPC, based on a two-APA-high
layout, ProtoDUNE-SP TPC is one APA high, due to practical limitations. The collaboration
will test the mechanical process of installing the two-APA detector configuration, along with the
related cabling, separately.
The cold readout electronics is based on the DUNE-SP cryogenic front-end pre-amp/shaper chip
and ADC design. The front-end ASIC is essentially the final design while the cold ADC ASIC is
not the final version and the dedicated ASIC (COLDATA) for serializing the data and providing
a 1-GB/s link is not yet available. Given the schedule constraints for ProtoDUNE-SP, an FPGA
that emulates the COLDATA functionality is used and mounted on a dedicated mezzanine board.
All the analog components, the conversion to digital, and the grounding/power distribution for
the final electronics can be tested in this configuration.
This configuration of the electronics chain is the only option for meeting the requirement for
protoDUNE-SP data collection in 2018 (requirement set by the schedule for the major LBNC
and DOE reviews of the DUNE TDR that will take place in 2019 and the need of validation
of the basic TPC design by then). In the event further optimization of the ASICs (ADC and
COLDATA) is required based on the ProtoDUNE-SP findings, it can be implemented before the
start of production in 2020.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

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Chapter 1: Introduction
1–7
Since there is no charge amplification in the liquid, the electronics is required to be extremely
sensitive. The grounding and shielding are therefore critical, and the designs are as similar as is
practical to those of DUNE-SP. The building ground in ENH1, with the interconnected rebar in
the concrete floor connected to the building ground bus, will provide a fairly good ground. The
cryostat itself is isolated from the building ground, and all the mechanical/electrical connections
have dielectric breaks. DUNE-SP, in contrast, will be installed a mile underground in a very dry
mine, and better isolation from the environment is expected. ProtoDUNE-SP will test the ground
isolation and shielding under conservative conditions.
The FC and cathode planes are full-scale prototypes, with the same maximum drift distance and
corresponding high voltage. This allows ProtoDUNE-SP to use the same HV feedthrough and
drift-field configuration as is planned for DUNE-SP. The cryostat dimensions are selected to be
the same for both ProtoDUNEs to leverage the same cryostat and cryogenics system designs. In
order to fit the ProtoDUNE-SP TPC in the cryostat, the wall-to-cathode plane distance is slightly
smaller than in DUNE-SP, making this setup a conservative test of the HV design. Testing the
TPC components under the most likely operating conditions for DUNE-SP is extremely important,
as this is the first test of the updated LArTPC design, which incorporates a resistive cathode and
FC construction with metal profiles and fiberglass I-beam support.
ProtoDUNE-SP also offers a unique platform to validate and possibly optimize the cryogenics
design for DUNE-SP. All cryostat penetrations are designed with gas purge to prevent contaminates
from migrating from warm surfaces to the ullage volume, and the the liquid and gas flows inside
the cryostat are being modeled. This is expected to provide an excellent test bed to validate the
cryogenics design for DUNE-SP.
ProtoDUNE-SP will prototype the tooling and procedures for transporting APAs and transferring
them to a suspended rail system. Similarly, the assembly and transport processes of the CPAs
and top/bottom FC assemblies are being developed. Due to space constraints inside the cryostat,
the rail structure on which the detector is hung will most likely be different for DUNE-SP. Despite
these differences, the experience gained in installing the ProtoDUNE-SP detector will be invaluable
in planning the DUNE-SP installation.
Integration of the test beam with ProtoDUNE-SP is quite different from the neutrino beam inte-
gration planned for DUNE-SP. To minimize the material interactions of the particle beam in the
ProtoDUNE-SP cryostat upstream of the TPC, a volume of LAr along the beam path (between the
cryostat membrane and the FC) is displaced, and replaced by a less dense volume of dry nitrogen
gas. This requires a penetration into one of the FC assemblies to install a beam plug. To en-
sure that the displacement plug does not compromise the ProtoDUNE-SP operation, a dedicated
HV test at Fermilab is planned that will test the final beam plug in the exact field configuration
planned for ProtoDUNE-SP.
1.3.2
Physics
The use of the CERN charged-particle beams of known particle type and incident energy provide
the means to achieve a better understanding of the interaction processes occuring within a argon
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

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