Dune cdr the Single-Phase Protodune

Chapter 2: Detector components
2–98
Figure 2.66: DSS showing full set of beams; the horizontal (X) beams in the figure are called bridge
beams and the vertical (Y) beams are called runway beams.
The External Cryogenics includes the systems used for the storage and eventual production of the
cryogens needed for the operation of the cryogenic system (liquid ntrogen, LN2, for cooling; LAr for
the cryostat) and GAr generated from the cryogenic storage tanks. In particular, it encompasses:
•
The receiving facilities for LAr and LN2 tanker trucks;
•
The cryogenics transfer lines to deliver LAr and LN2 to the Proximity Cryogenics (in the
vicinity of the cryostat);
•
The ambient vaporizer and transfer lines to deliver GAr to the cryostat for the piston purge
and the GAr make-up; and
•
The regeneration system for the LAr purification (with GAr from the vaporizer and H2 from
an H2 bottle, mixed before being sent to the LAr purification).
The Proximity Cryogenics takes the cryogens from the External Cryogenics and delivers them to
the Internal Cryogenics under the required pressure, temperature, purity and mass flow rate. It
encompasses:
•
The condenser (with heat exchanger) to re-condense the boil-off GAr;
•
The LAr purification system with inline purity monitor;
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

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Chapter 2: Detector components
2–99
•
The LAr recirculation pumps;
•
The LAr Phase separator to feed the cryostat;
•
The LN2 Phase separator to feed the condenser;
•
The GAr purification system;
•
The cryostat-purge equipment; and
•
The condenser LAr pump.
The Internal Cryogenics includes all the cryogenic equipment located inside the cryostat. It en-
compasses:
•
The cryostat/detector cool down manifolds
•
The LAr distribution manifold
•
The GAr purge distribution manifold.
The equipment described in this chapter will be used for the cool-down, filling, operation, purifi-
cation, emptying and warm-up of the ProtoDUNE Single Phase cryostat. These operations are
described in greater detail in Section 2.11.3.
The development of the ProtoDUNE cryogenics is part of a common effort between CERN and
Fermilab which includes the cryogenics for the ProtoDUNE Single Phase and Dual Phase detectors
at CERN, and the Short Baseline Neutrino Near Detector (SBND) and Far Detector (SBN-FD)
at Fermilab.
The cryogenic systems for all four projects are developed jointly with a standard approach to min-
imize the duplication of work, benefit of existing knowledge (at Fermilab and CERN), and also
prototype for the Long Baseline Neutrino Facility (LBNF)/Deep Underground Neutrino Experi-
ment (DUNE) project. The systems build on the successful experience of the Liquid Argon Purity
Demonstrator (LAPD), 35-t prototype, and MicroBooNE at Fermilab, and the development of
the WA105 1×1×3 Dual Phase prototype at CERN and CERN’s experience in the design and
operation of large-volume noble liquid detectors.
During all phases, CERN codes and standards will guide the design, procurement and installation
phases of the ProtoDUNE Single Phase cryogenics. The planned work process provides for reviews
throughout all phases of the project to guarantee stringent adherence to the safety and scientific
requirements.
The project requirements for the ProtoDUNE cryogenics system are identical to those of the DUNE
Far Detector cryogenics. The current list of requirements is available at [20].
A selection of the most relevant requirements is presented here:
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

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Chapter 2: Detector components
2–100
•
Cryosys-013: The system shall allow recirculation and purification of the liquid argon in-
ventory to achieve the needed LAr purity to meet the scientific requirement (less than 10
day/volume change based on ICARUS experience).
•
Cryosys-016: The purification system shall be capable of removing contaminants form the
LAr prior to filling and shall maintain purity during operation.
•
FD-tpc-006: Electron lifetime greater than 3 ms (maximum drift time at nominal field is
2.25 ms).
•
Cryosys-015: The system shall provide an argon gas boil off and reliquefaction system.
•
Cryosys-026: The cryogenics system shall not allow sources of argon gas reliquefaction inside
the cryostat, e.g. uninsulated pipes carrying liquid argon.
•
Cryosys-021: The cryostat and cryogenic systems shall be designed for using the piston-purge
technique (introducing heavy gas at the bottom and taking out exhaust from the top) for
removing initial electronegative impurities.
•
Cryosys-019: The cryogenics system shall not introduce unwanted noise into the electronics.
•
Cryosys-022: The cryogenics system shall provide a stable environment in the cryostat for
the detector.
•
Cryosys-023:The cryogenics system shall be designed in accordance with the cryostat to
maintain a single phase in the entire liquid argon volume at a stable temperature. The
chosen temperature is 88.3 K ± 1 K.
2.11.2
Cryogenics layout
The Process Flow Diagram (PFD) of the ProtoDUNE cryogenic system is shown in Figure 2.67.
The External Cryogenics located outside of the EHN1 building, is shared with the Dual Phase
prototype, which is located in the same experimental hall, few tens of meters away.
The system has the following functions:
•
It provides the GAr for the piston purge phase and the GAr make-up.
•
It provides the LAr to the cryostat.
•
It provides the LN2 to the condenser.
•
It provides the cooling power by means of evaporation of liquid nitrogen and condensation of
GAr, to the liquid argon cryostat, for its cool-down, normal operation and warm-up phases.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

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