Dune cdr the Single-Phase Protodune

Chapter 2: Detector components
2–112
The instrumentation is designed to establish the quality and stability of the detector environment
and to help diagnose the source of any changes in the detector operations. In addition, an extensive
set of temperature measurements is planned in order to provide input for the validation of the fluid
dynamic models to be used in simulations of the full DUNE apparatus.
Purity monitors
Three purity monitors (PrM) with sensitivity to electron drift lifetimes from ∼100 microseconds up
to a few milliseconds will be used to provide a rapid and direct determination of the electron drift
lifetime of the LAr inside the ProtoDUNE-SP cryostat. These PrMs have been generously provided
by ICARUS [23] after being decommissioned from the T600. The design has been replicated with
small modifications for MicroBooNE and a number of R&D test experiments at Fermilab. Inside
the ProtoDUNE-SP the monitors are arranged in a vertical column located behind the APA planes
on the Jura side (see Figure 3.2). Two of the monitors are supported from the large flange on the
manhole, while one is attached directly to the floor of the cryostat. Ports with ConFlat seals on the
blanking flange will be made available for HV/Signal/Optical Fiber feedthroughs. One monitor
will be at the height of the top of the APA, one at mid-height, and one at the very bottom near
the LAr-return manifold, which will allow it to monitor the purity of the LAr entering the cryostat
after the purification process.
Figure 2.70: Picture of a purity monitor from the ICARUS T600, now available for installation in the
ProtoDUNE-SP detector . The photocathode is at the left, the drift region is defined by the ring-shaped
electrodes, and the anode is at the right.
The three PrMs, one of which is pictured in Figure 2.70, are currently being refurbished with new
gold photocathodes and new quartz fibers. The drift length (25 cm) is the same for all them. The
mechanical design of the string and the connection to the manhole flange at the top are under
development.
A single PrM will be installed at the output of the purification filter system using a port that
is available for this purpose. This installation will require DUNE to provide not only the purity
monitor system but the vessel that will contain the PrM and the argon it is sampling.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–113
Analytic gas equipment
A system of gas analyzers will be used to certify the deliveries of argon, to monitor the effectiveness
of the purging of the cryostat, and to monitor the state of the argon under operation. Commercial
devices with 1 part per billion (ppb) and better sensitivity to oxygen and water, and with 100-ppb
sensitivity to nitrogen are available and appropriate. A valve switch-yard is provided to allow the
analyzers to sample either the liquid or the ullage in the cryostat, and to sample other points of
interest in the argon system.
Vertical temperature gradient monitor
Precise measurements of the temperature, specifically of the temperature gradient, as a function of
LAr depth are an important input for fluid dynamics modeling and simulations. The ProtoDUNE
cryostats are the largest argon cryostats ever constructed for a LArTPC and present the best
opportunity to validate the models used in the design and simulation of the full DUNE detector
modules. The installation of two sets of devices with high-precision temperature measurements
along almost the entire height of the LAr volume has been included in the internal instrumentation
plan for this purpose. The two sets allow testing both the transverse and vertical components of
the models and provide an opportunity to test different measurement technologies on a relevant
scale. Commercial calibrated resistance temperature detectors (RTDs) with 15-mK precision at
LAr temperature are well suited to this application, recognizing that the temperature probe wiring
and signal transport outside the cryostat require considerable care in order to maintain the intrinsic
precision of the probe.
One of the vertical profile monitors is supported from a port located behind the APA plane. It
consists of a series of RTDs positioned at ∼30 to 50 cm intervals along a rigid structure. A special
multi-pin FT is mounted on the flange for the signal extraction and readout from a temperature
controller. Cross calibration of the RTDs in place is to be achieved by stepping the structure so
that two adjacent RTDs can sample the temperature in the same location. The mechanical design,
including the cable routing up to the multi-pin FT, is under study. The second profile monitor
uses a port located on the downstream end of the cryostat. Studies of cross calibration of the
RTDs are under way.
A number of RTDs will also be positioned at different heights on the cryostat walls to monitor
the temperature during the cooldown process. There will also be some RTDs on the cryostat roof,
RTDs on the argon inlet and outlet lines, and, just for luck, an RTD on each of the purity monitors.
Webcams inside the cryostat
Based on a system developed by ETH Zurich for WA105, six commercial webcams, sealed inside
a specially developed metal case with a ConFlat optical window to allow operation at cryogenic
temperatures, are located inside the cryostat. They are positioned at strategic points to allow
inspection of the interior during filling and commissioning, and the detection and recording of
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–114
possible sparks in locations of high electric field intensity, such as the HV feedthrough. A system
of these cameras has been installed in the 35t field cage test at Fermilab and the lessons learned
will be incorporated in the final design.
Level meters and pressure sensors.
Level Meters and pressure sensors are important for both cryogenics and detector operation. CERN
is providing the devices for these measurements, a level meter based on a differential pressure gauge
and a redundant pair of sensors to measure the pressure in the ullage. CERN will also provide a
weather station to give measurements of the local temperature and atmospheric pressure.
2.12.2
Slow control system
The design of the ProtoDUNE-SP safety and control system is largely based on the experience
gained in collaboration with ETH Zurich during the pilot WA105 project at CERN. The compo-
nents of this system and their functions are as follows:
•
The Process Control System (PCS) reads temperature sensors including the Vertical T Gra-
dient monitors, the pressure sensors in the gas ullage, the liquid argon level meter, the
purity monitors inside the cryostat, and the trace analyzers (O
2
, N
2
, H
2
O) in the external
recirculation line.
•
The Detector Control System (DCS) monitors and controls the low-voltage (LV) and high-
voltage (HV) from the power supplies.
•
The Detector Safety System (DSS) performs temperature surveys and monitors interlocks
and alarms.
The supervisory software is based on the JCOP framework, an integrated set of software tools
originally developed for the control of the LHC experiments and now used in several more ex-
periments at CERN. The framework provides a graphical user interface to visualize the trends
of monitored values and alarm/interlock conditions. These values and alarms are automatically
stored in a dedicated database for offline use. Remote monitoring is possible via a web interface.
The responsibility for the system is split between ProtoDUNE-SP and CERN:
•
The ProtoDUNE-SP experiment is responsible for all sensors, power distribution, etc., inside
the cryostat, as well as for defining the system specifications, I/O parameters and control,
and safety logic.
•
CERN EP/DT-DI is responsible for developing and testing the supervisory control of the
system and data acquisition (SCADA). This includes connecting the control system to the
cryogenics instrumentation inside the cryostat and to all the systems that require monitoring
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---