Dune cdr the Single-Phase Protodune

Chapter 2: Detector components
2–78
Figure 2.56: One ARAPUCA array of eight devices installed in a APA frame in place of a scintillating
bar.
2.7.6
Photon detector UV-light monitoring system
A UV-light-based monitoring system is used to monitor the relative performance and time resolu-
tion of the system. The system uses external UV LEDs (245-280 nm) as light sources in the VUV
wavelength range, which are coupled to quartz fibers to transmit light from outside the detector
volume to desired locations on the CPA plane. Light diffusers located on the CPA surface uni-
formly illuminate the APA area containing the PDS. The UV light system is used in association
with cosmic ray muon tracks and Michel electrons as means of calibration. The UV light essentially
mimics physics, although at a different wavelength starting from the wavelength-shifter conversion,
light guide propagation, photo-sensor detection and the front-end electronics readout.
The external UV-light monitoring system is designed with the following goals:
•
No active components within PD/APA;
•
Provide uniform illumination over the APA surfaces;
In terms of technical requirements the system needs to:
•
provide light levels down to a single p.e. for individual photon-detector channels,
•
provide higher light levels to test linearity of the PDS, and
•
provide variable pulse width to test the time resolution of the photon detector response.
Figure 2.57 illustrates the system design schematically. The system consists of a 1U rack mount
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–79
Light Calibration Module (LCM) sitting outside the cryostat. The LCM generates light pulses
that propagate through a quartz fiber-optic cable to diffusers at the CPA to distribute the light
uniformly across the photon detectors mounted within the APA. Five light diffusers on the CPA
plane are used: one in the center and four diffusers close to the CPA corners.
Figure 2.57: Concept of the UV-light monitoring system for the photon detector in liquid argon.
The LCM utilizes the logic and timing control of the photon-detector readout electronics (SSP)
unit, described in Section 2.8. A single SSP board was repackaged into a deeper rack mount
chassis that accommodates a new internal LED Pulser Module (LPM) and an additional bulk
power supply. The LPM utilizes five digital outputs from the SSP board to control the LPM pulse
and its duration. These outputs are derived from the charge injection control logic within the SSP’s
FPGA. The even-channel SiPM bias Digital to Analog Converters (DACs) are used to control the
LPM pulse amplitude. The adjacent odd channels are used to read out a reference photodiode
used for pulse-by-pulse monitoring of the LED light output. The output of the monitoring diode
is available for normalizing the response of the SiPMs in the detector to the monitoring pulse.
The controlled source of light in this monitoring system is used to perform time offset and time
resolution measurements. Many effects contribute to a finite time resolution, including the relative
time offset of photon-detector channels, scintillation time constants, photon conversion with wave-
length shifter, photon propagation through photon-detector paddle, SiPM jitter, and the resolution
of the readout electronics. Most of these effects are constant and can be individually measured on
the bench. The UV light monitoring system monitors overall stability of the photon detector in
both time and amplitude.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–80
2.8
PDS electronics
Scintillation light from LAr comes from two different excited states with lifetimes of about 6 ns
and 1.6 µs. Only a limited amount of light is collected, so the electronics are designed to collect the
light from both excited states. A summary of the general requirements for the system, including
initial requirements from a physics performance perspective, are given in Table 2.7.
Table 2.7: Physics requirements for the PDS electronics
Performance Parameter
Target
Time Resolution
Better than 30 ns wrt event time zero (“t0”)
Charge Resolution
0.25 photo-electron equivalent
Dynamic Range
∼ ×10 better than detector (1000:1)
Linearity
Sufficient to resolve 1 photo-electron signals
Multi-Hit Capability
Sufficient to measure Triplet (late) Photons
Dead Time
Live up to 2 drift times either side of beam spill
Bias Control
0.1 V resolution up to 30 V per channel
Calibration
On-board Charge Injection
Timing
Events time-stamped via ProtoDUNE Timing System
There is no PDS front-end electronics in the LAr cold volume. The un-amplified analog signals
from the SiPMs are transmitted directly to outside the cryostat for processing and digitization,
with the advantage that the infrastructure required for inside the cryostat is reduced (power, data
cables, precision clocks, data protocols). A custom module, called the SiPM Signal Processor
(SSP), receives the SiPM signals outside the cryostat.
As noted previously, three PDS SiPM signals are summed together into a single readout channel.
A 20-m long multi-conductor cable with four twisted pairs is used to read out PDS modules,
each of which incorporates 12 SiPMs i.e., four readout channels per PDS module. A total of
ten PDS modules are inserted within a single APA, resulting in ten readout cables using 40 SSP
readout channels distributed over four SSP modules. A total of 24 SSPs serve to read out the
ProtoDUNE-SP photon-detector modules in all six APAs.
An SSP consists of 12 readout channels packaged in a self-contained 1U module. Each channel
contains a fully-differential voltage amplifier and a 14-bit, 150-MSPS analog-to-digital converter
(ADC) that digitizes the waveforms received from the SiPMs. The front-end amplifier is configured
as fully-differential, and receives the SiPM signals into a termination resistor that matches the
characteristic impedance of the signal cable. Currently there is no shaping of the signal, since the
SiPM response is slow enough relative to the speed of the digitization to obtain several digitized
samples of the leading edge of the pulse for the determination of signal timing.
The processing is pipelined, and performed by a Xilinx Artix Field-Programmable Gate Array
(FPGA). The FPGA implements an independent Data Processor (DP) for each channel. The
processing incorporates a leading edge discriminator for detecting events and a constant fraction
discriminator (CFD) for sub clock timing resolution.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---