Dune cdr the Single-Phase Protodune

Chapter 2: Detector components
2–91
constructed in EHN1 without any mechanical attachment to the floor or the building side walls.
Figure 2.61: Warm vessel layout showing the various major components
Inside the steel structure, a 10-mm thick skin of stainless steel plates are welded to provide a
gas barrier to the outside. The top of the cryostat is accessible for installation of the detector
elements, the electrical/signal feedthrough, the detector supports and other cryogenics services.
The dimensions are dictated by the required active volume of LAr, constraints on the distances from
the active volume to the cryostat inner walls and cryostat material thicknesses. The inner cryostat
dimensions are: width = 8.548 m, length = 8.548 mm and height = 7.900 m. The dimensions
ensure that all crossing penetrations are arranged as requested and that there is enough space for
maintenance.
A secondary membrane is located within the insulation layer. The cold vessel is based on the GTT
membrane technology [15]. Thermal requirements call for a thickness of 800 mm, including the
insulation, and the primary and secondary membranes. These two membranes provide a first and
second level of containment. There is no requirement at this point for additional containment at
the level of the warm steel structure. The SS skin of 10-mm thickness between the warm structure
and the insulation provides an effective gas enclosure, which allows control of the argon atmosphere
inside the insulation volume. All necessary information can be found in [16]. The 3D detailed CAD
model is visible in [17].
Prior to installation of the GTT insulation and inner membranes, the gas tightness of the SS 10-
mm membrane was measured and verified by CERN using dye penetrant analysis, local vacuum-
bag techniques, and He leak detection at the level of the natural He present in the atmosphere
(∼ 2 − 3 × 10
−6
mbar/l/sec
). A report was presented to GTT.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–92
2.10.2
Storage characteristics
The cryostat is required to store LAr at a temperature between 86.7 K and 87.7 K with a pressure
inside the tank of 950 < P < 1100 mbar. The thermal fluxes must be tightly controlled, i.e., they
will be kept under 5 W/m2 on the inner membrane that is in contact with liquid, in order to
prevent boiling of the LAr.
The storage parameters of the cryostat are as follows:
•
The inner dimensions are 7900 mm high × 8548 mm length × 8548 mm wide. This corre-
sponds to a total volume of ∼580 m
3
.
•
Tank liquid capacity (assuming a ∼4% ullage): ∼ 557 m
3
•
Residual Heat Input (RHI): 5-6 W/m
2
•
Insulation weight: 90 kg/m
3
•
Insulation thickness (all included): 0.8 m
•
Design pressure: Max 1350 mBar / Min 950 mBar. The 1350 mBar is for an accident condi-
tion during the cryogenics operation.
•
Operating temperature: 86K-89 K
Figure 2.62 shows a side cross section of the cryostat with the inner dimensions of the cryostat,
the thickness of the insulation and the overall outer dimensions of the warm structure.
2.10.3
Cold GTT vessel
The cold vessel from GTT is installed inside the warm support structure, which includes the
stainless steel gas enclosure membrane. The cold vessel consists of a thermal insulation, a primary
corrugated stainless steel membrane, as well as a secondary thin membrane, to provide primary
and secondary liquid containment. A cross sectional view of the insulation and membrane layers
is shown in Figure 2.63.
The primary membrane is made of corrugated stainless steel 304 L and is 1.2 mm in thickness.
The standard size of the sheets is 3 m × 1 m. The secondary membrane is made of Triplex. This
is a composite laminated material of a thin sheet of aluminium between two layers of glass cloth
and resin. It is positioned inside the prefabricated insulation panels between two of the insulation
layers. The insulation is made from reinforced polyurethane foam. The insulation panels are
bonded to the inner 10 mm skin using resin ropes. The insulation layers are instrumented with
gas inlets, outlets, temperature and pressure sensors.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–93
Figure 2.62: Cryostat overall dimensions
Figure 2.63: Cross section of insulation layers on membranes
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–94
2.10.4
Temporary Construction Opening (TCO)
A dedicated access window is necessary to install the ProtoDUNE-SP detector. This is referred
to as the temporary construction opening (TCO) and shown in Figure 2.64. This means that
no insulation of membrane can be installed at the beginning in this location. Once the detector
installation has progressed as far as possible and all of the large TPC components are inside the
cryostat, the TCO will be closed. The 10-mm SS skin, insulation and cold membranes are installed
and welded in place.
Figure 2.64: Front view of the cryostat with the TCO for the NP04 cryostat shown in green.
2.10.5
LAr pump penetration
To keep the high level of purity required, LAr is extracted from a point as low as possible in the
cryostat and pushed by cryo-pumps to the external filtering system through the liquid recirculation
circuit. A special penetration is thus required on one side wall of the cryostat to connect through
a dedicated system of safety valves to the liquid argon pumps. This penetration requires a local
modification of the insulation panels and the SS primary membrane, and consists of a crossing
tube with a diameter of 168 mm for the insulation and the membrane, and a larger-diameter hole
at the stainless steel plate.
2.10.6
Beam window penetration
Once constructed, the ProtoDUNE-SP detector will be exposed to the charged particle beam from
the SPS accelerator. To minimize energy loss and multiple scattering of the beam particles in the
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---