SPICE Simula,on and Capacitance Measurements Brad Ellison, - PowerPoint PPT Presentation

SPICE ¡Simula,on ¡and ¡ Capacitance ¡Measurements ¡ Brad ¡Ellison, ¡Thomas ¡Ku2er ¡ LSU ¡ HV/FC/CPA ¡mee>ng ¡ April ¡25, ¡2018 ¡

Overview ¡ • Previous ¡capacitance ¡measurements ¡ • SPICE ¡simula>on ¡ • Poten>al ¡future ¡measurements ¡ • discussion ¡ ¡

FC ¡endwall ¡module ¡capacitances ¡ Capacitance ¡measurements ¡performed ¡on ¡ ¡ Cathode ¡side ¡ mechanical ¡mock-­‑up ¡FC ¡Endwall ¡modules ¡ ¡ 1) Unpopulated/no ¡divider ¡board ¡mounted ¡ 2) Populated ¡divider ¡board ¡mounted ¡ Use ¡handheld ¡capacitance ¡meter: ¡ easily ¡measure ¡at ¡few ¡pF ¡level ¡

FC ¡endwall ¡module ¡capacitances ¡ 1) ¡unpopulated ¡divider ¡board ¡mounted ¡ Have ¡similar ¡measurement ¡ ¡ Results ¡for ¡W1 ¡(top) ¡and ¡ ¡ Beam ¡plug ¡modules ¡

FC ¡endwall ¡module ¡capacitances ¡ 1) ¡unpopulated ¡divider ¡board ¡mounted ¡ 2) ¡populated ¡divider ¡board ¡mounted ¡

FC ¡endwall ¡module ¡capacitances ¡ 1) ¡unpopulated ¡divider ¡board ¡mounted ¡ 2) ¡populated ¡divider ¡board ¡mounted ¡ à ¡Capacitances ¡increase ¡from ¡about ¡ » ¡50 ¡pF ¡to ¡ » ¡90 ¡pF ¡

FC ¡endwall ¡module ¡capacitances ¡ à ¡Capacitances ¡increase ¡from ¡about ¡ » ¡50 ¡pF ¡to ¡ » ¡90 ¡pF ¡ From ¡Panasonic ¡MOV ¡data ¡sheet ¡ ….. ¡ Between ¡profiles ¡3 ¡MOVs ¡in ¡series ¡: ¡ ¡C equiv ¡= ¡40 ¡pF ¡ ¡ In ¡parallel ¡with ¡profile ¡capacitances: ¡C equiv ¡= ¡50 ¡pF ¡+ ¡40pF ¡= ¡90 ¡pF ¡ à ¡Measurements ¡are ¡(roughly) ¡consistent ¡with ¡expecta>ons ¡ ¡

SPICE ¡Simula,ons ¡ • Performed ¡in ¡2016 ¡to ¡develop ¡an ¡expecta>on ¡for ¡ magnitudes ¡of ¡poten>al ¡differences ¡during ¡discharges ¡and ¡ propaga>on ¡ (references: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Gina ¡Rameika, ¡MicroBooNE ¡doc-­‑db ¡#3307 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡David ¡Huffman, ¡private ¡communica>on) ¡ 1 st ¡setup: ¡ ¡simulated ¡circuit ¡without ¡MOVs ¡ measured ¡ assumed ¡ assumed ¡ assumed ¡ Known/measured ¡

SPICE ¡Simula,ons ¡ 1 st ¡setup: ¡ ¡simulated ¡circuit ¡without ¡MOVs ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Profile ¡Tx ¡arcing ¡to ¡ground ¡(implemented ¡with ¡voltage ¡switch: ¡200 ¡ns) ¡ ¡ 140 ¡kV ¡ Differen>al ¡poten>al ¡differences ¡ (between ¡men>oned ¡profiles) ¡ First ¡profile ¡arcing ¡to ¡ground ¡ 24 ¡kV ¡ 8th ¡profile ¡arcing ¡to ¡ground ¡ 0 ¡s ¡ >me ¡ 5 ¡s ¡ Power ¡supply: ¡-­‑125 ¡kV ¡ Internal ¡resistance: ¡1 ¡MΩ ¡ 5 ¡s ¡ 0 ¡s ¡ >me ¡

SPICE ¡Simula,ons ¡ 2 nd ¡setup: ¡ ¡simulated ¡circuit ¡with ¡MOVs ¡ ¡(assumes ¡generic ¡model ¡for ¡MOV) ¡ measured ¡ assumed ¡ assumed ¡ assumed ¡ Known/measured ¡ à ¡Simulated ¡discharges ¡lead ¡to ¡capped ¡spikes ¡in ¡poten>al ¡differences. ¡ ¡

Ques,ons/Discussion ¡ • What ¡measurement ¡points ¡and ¡sensors ¡do ¡we ¡have ¡ to ¡link ¡model ¡to ¡data ¡in ¡case ¡of ¡discharge ¡? ¡ – Only ¡HV-­‑PS ¡current ¡and ¡current ¡measurement ¡on ¡anode ¡ side ¡? ¡ • Can ¡a ¡SPICE ¡model ¡help ¡us ¡understand ¡poten>al ¡HV ¡ breakdown ¡and ¡failure ¡modes ¡? ¡ – Or ¡is ¡it ¡simply ¡too ¡inaccurate ¡and ¡crude ¡to ¡be ¡useful ¡? ¡ • Is ¡it ¡worthwhile ¡to ¡replace ¡assumed ¡values ¡with ¡ measured ¡values ¡for ¡ProtoDUNE ¡? ¡

Proposal ¡ • Not ¡obvious ¡whether ¡SPICE ¡model ¡would ¡be ¡able ¡ to ¡quan>ta>vely ¡help ¡diagnose ¡poten>al ¡ breakdowns, ¡but ¡may ¡help ¡at ¡qualita>ve ¡level ¡ Sugges>on: ¡Perform ¡capacitance ¡measurements ¡as ¡ much ¡as ¡possible ¡and ¡as ¡>me ¡allows ¡so ¡as ¡to ¡have ¡ as ¡much ¡informa>on ¡about ¡detector ¡as ¡possible ¡ (NOTE: ¡s>ll ¡requires ¡scaling ¡from ¡air ¡fill ¡to ¡LAr ¡fill) ¡