Dune cdr the Single-Phase Protodune

Chapter 2: Detector components
2–23
In addition to the bias and DC-blocking capacitors for all X- and U-plane wires, the CR board
includes two R-C filters for the bias voltages. The resistors are of the same type used for wire
biasing except with a resistance of 2 MΩ. Capacitors are 47 nF at 2 kV. Very few choices exist for
surface-mount capacitors of this type, and they are exceptionally large. Polyester or Polypropylene
film capacitors that are known to perform well at cryogenic temperatures are used.
Side and foot boards
The boards along the sides and foot of the APA have notches, pins and other location features to
hold the wires in the correct position as they wrap around the edge from one side of the APA to
the other.
G10 circuit board material is ideal for these side and foot boards due to its physical properties
alone, but it has an additional advantage: a number of hole or slot features in the edge boards
provide access to the underlying frame. In order that these openings are not covered by wires,
the sections of wire that would go over the openings are replaced by traces on the boards. After
the wires are wrapped, the wires over the opening are soldered to pads at the ends of the traces,
and the section of wire between the pads is snipped out (Figure 2.8). These traces are easily and
economically added to the boards by the many commercial fabricators who make circuit boards.
Figure 2.8: Model of board with wires showing how traces connect wires around openings in the side
boards. The wires are wound straight over the openings, then soldered to pads at the ends of the traces.
After soldering the sections between the pads are trimmed away.
The placement of the angled wires are fixed by pins as shown in the right-hand picture of Figure 2.9.
The wires make a partial wrap around the pin as they change direction from the face of the APA
to the edge. The X- and G-plane wires are not pulled to the side so they cannot be pulled against
a pin. Their positions are fixed by teeth with slots, as shown in the left-hand picture in Figure 2.9.
The polymer used for the strips is Vectra e130i (a trade name for 30% glass filled liquid crystal
polymer or LCP). It retains its strength at cryogenic temperature and has a CTE similar enough
to G10 that differential expansion/contraction is not a problem.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–24
Figure 2.9: Boards with injection molded tooth strips glued on. The left shows an end board with teeth
for fixing the position of the longitudinal wires. The teeth there form small notches. The right is a
side board for fixing the position of the angled wires where the wires are angled around a pin. (These
boards are prototype test pieces and are not used in the production APAs.)
Glue and solder
The ends of the wires are soldered to pads on the edges of the wire boards. Solder provides both
an electrical connection and a physical anchor to the wires. As an additional physical anchor,
roughly 10 mm of the wires are glued near the solder pads. For example, in Figure 2.9, in addition
to soldering the wires on the pads shown in the left-hand photograph, an epoxy bead is applied
on the wires in the area between the solder pads and the injection-molded tooth strips.
Gray epoxy 2216 by 3M is used for the glue. It is strong, widely used (therefore much data is
available), and it retains good properties at cryogenic temperatures. A 62% tin, 36% lead and 2%
silver solder was chosen. A eutectic mix (63/37) is the best of the straight tin/lead solders but the
2% added silver gives better creep resistance.
Comb wire supports on inner frame members
Some wire segments are quite long; for instance, the X- and G-plane wires extend from one end of
the APA to the other without going around a side – a length of 6 m. Even the diagonal wires across
the middle of the APA are 3.9 m long. To prevent deflection from gravity, electrostatic forces, or
liquid drag from moving argon, the wires are supported at regular locations along the length of the
APA. This is done with combs mounted on each of the four cross braces that are regularly spaced
along the length of the APA. This keeps the longest unsupported wire length under 1.6 m.
The nominal wire tension is 5 N but even the 1.6-m-long wires could fall to 3 N of tension before
the wire, held horizontally, would deviate 150 microns – one wire diameter. During operation the
wires are either vertical or 35.7
◦
from vertical, so the actual deviation would be less.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–25
The combs are made from 0.5-mm-thick G10 with slots cut into it. The comb for the lowest layer
is glued to a base strip that is glued to the frame. After each layer is wound, another comb strip
is glued to the tips of the teeth of the previous one to position the wires in the next layer. Each
successive comb holds the previous layer of wires in the bottom of its slots (Figure 2.10).
Figure 2.10: A model of the combs showing how they stack. After winding a layer, the comb for the
next layer is put in place. Each comb holds the wires from the previous layer in its slots.
Periodic holes along the length of the strip allow the use of pins to accurately position each
successive strip with respect to the previous one. A series of jigs is used to create and install
these combs. One jig aligns the first strip to the base strip during gluing. Another jig locates this
assembly on the frame as it is glued in place. A third jig locates each successive comb using these
holes (labeled registration holes in Figure 2.10).
The wire openings in the comb stack are small enough that the wires are accurately positioned at
the combs, and therefore the gluing of wires into the combs is not required.
Electron diverter
The active aperture of the collecting plane wires is 2300 mm wide, while the APA modules are
installed at a 2320 mm pitch. This leaves a 20 mm gap between two adjacent APAs that is occupied
by the stacks of wire wrapping boards and some clearance space. Electrons from the ionizing tracks
drifting over the gap have an ill-defined trajectory; some get lost and some land on the wrong wire
and create unexpected signal waveforms. A set of electron diverters installed between APAs would
nudge the incoming electrons away from the gap, towards an active collection wire. It is planned
to install electron diverters between some of the ProtoDUNE-SP APAs to determine whether they
should be included in the DUNE-SP detector design.
The electron diverter is a set of thin printed circuit boards with two strip electrodes sticking up
from the first wire plane. The two electrodes are biased at negative voltages with respect to to the
natural potential at their locations. A repulsive force from these electrodes pushes the incoming
electrons away from the inactive gap. Figure 2.11 illustrates the principle. The left plot shows the
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---