Dune cdr the Single-Phase Protodune

Chapter 2: Detector components
2–43
over the course of a year. In the worst-case scenario in which all the nitrogen in the beam plug
leaks into the LAr cryostat, the increase in concentration is about 0.1 ppm, which is still a factor of
10 below the maximum acceptable level, as specified by light detection requirements. At nominal
operation, the voltage difference across the beam plug (between the first and the last grading ring)
is 165 kV.
To minimize risk of electrical discharges, the beam plug is divided into sections, each of which is
bonded to stainless steel conductive grading rings. The seven grading rings are connected in series
with two parallel paths of resistor chains. The ring closest to the FC is electrically connected
to one of the FC profiles. The ring nearest the cryostat wall is grounded to the cryostat inner
membrane via a short grounding cable. The maximum total power dissipated by the resistor chain
is about 0.6 W.
Figure 2.25: The beam plug is a composite pressure vessel filled with dry nitrogen gas. The vessel is
about 50 cm in length and about 22 cm in diameter. The pressure vessel is divided into sections with
each section bonded to a stainless steel grading ring. The grading rings are connected by three parallel
paths of resistor chain.
The metal electrode rings are spaced at regular intervals and interspersed with composite tube
sections. The shape of the rings has been designed to minimize high electric field corners. The
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–44
Figure 2.26: Beam plug nitrogen gas system schematics. The Local Control Panel is mounted on top
of the cryostat near the DN160 flange feedthrough. The nitrogen line enters the cryostat via the 6-way
flange which also has a burst disk for emergency pressure relief and temperature/pressure sensors.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–45
results of the field calculations are shown in Figures 2.27 and 2.28. The average field in the vicinity
of the beam plug is about 4.4 kV/cm. The maximum field of 15.7 kV/cm is on the electrode ring
surface. In all regions the field is well below the 30-kV/cm limit.
4.4kV/cm
Strength
E (10
6
V/m)
1.910
1.719
1.528
1.337
1.146
0.955
0.764
0.573
0.382
0.191
0.000
Figure 2.27: Electric field calculation of the electrode ring design. The average field in the beam plug
region is about 4.4 kV/cm. The maximum field of 15.7 kV/cm is on the electrode ring surface.
The beam plug is mounted onto one of the field cage support structures as shown in Figure 2.29.
2.5
TPC high-voltage (HV) components
2.5.1
Scope and requirements
The TPC high voltage (HV) components include the HV power supply, cables, filter circuit, HV
feedthrough, and monitoring for currents and voltages (both steady state and transient).
A schematic of the complete TPC HV circuit is shown in Figure 2.30.
The cathode plane is biased at −180 kV to provide the required 500 V/cm drift field. It is powered
by a dedicated HV power supply through an RC filter and HV feedthrough. The power supply for
the cathode plane must be able to provide −200 kV. The output voltage ripple must not introduce
more than 10% of the equivalent thermal noise from the front-end electronics. The power supply
must be programmable to shut down its output at a certain current limit. During power cycling,
both controlled and uncontrolled, the voltage ramp rate at the feedthrough must be limited to
prevent damage to the in-vessel electronics from excess charge injection. The HV feedthrough
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–46
4.2
4.2
6.3
6.2
(kV/cm)
Figure 2.28: Electric field calculation near the vicinity of the electrode. The shape of the ring minimizes
the high field region near the joints between the electrode, LAr, and composite shell. The field is well
below the 30-kV/cm limit in all regions.
5
Figure 2.29: Beam plug to field cage interface.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–47
Cathode HV 
Feedthrough
MOV
R
D
R
TA
R
D
R
D
/2
MOV
R
D
R
TA
... 58 bars
R
D
R
D
/2
... 58 bars
R
D
R
D
/2
... 58 bars
MOV
R
D
/2
R
D
MOV
R
D
R
BA
... 58 bars
MOV
R
D
/2
R
D
/2
MOV
R
D
/2
R
D
/2
R
D
/2
R
D
/2
R
D
/2
R
D
MOV
R
D
R
TA
... 58 bars
MOV
R
D
MOV
R
D
MOV
R
D
MOV
R
D
MOV
R
D
MOV
R
D
MOV
R
D
R
EC
MOV
R
D
R
EA
... 58 bars
MOV
R
D
MOV
R
D
... 58 bars
MOV
R
D
MOV
R
D
MOV
R
D
MOV
R
D
MOV
R
D
MOV
R
EC
MOV
R
D
R
EA
Top FC Modules
Cathode Plane
Bottom FC Modules
End Wall Modules (Upstream)
End Wall Modules (Downstream)
Field Cage 
Terminations
2.2 MΩ
50nF/3kV
2.2 MΩ
50nF/3kV
CE Signal
Flange & WEC
MOV
R
D
/2
R
D
MOV
R
D
R
TA
... 58 bars
Field Cage 
Terminations
2.2 MΩ
50nF/3kV
2.2 MΩ
50nF/3kV
MOV
R
D
R
TA 
R
TT 
R
TT 
R
TE 
R
TT 
CE Signal
Flange & WEC
CE Signal
Flange & WEC
On APA
On APA
2.2 MΩ
50nF/3kV
2.2 MΩ
50nF/3kV
Field shaping strip
Field cage profile
FC module with beam
plug has extra dividers
Ground plane panel
CPA edge profile
2.2 M
50nF
3kV
R
TT 
2.2 M
50nF
3kV
R
TT 
R
TE 
R
TT 
Figure 2.30: A schematic of the TPC high voltage circuit.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---