Dune cdr the Single-Phase Protodune

Chapter 2: Detector components
2–108
The gas purification system, located nearby the cryostat as well, is used to purify the GAr for the
purge in close loop process. It consists of one filter vessel containing molecular-sieve and copper
media filters in the same vessel. The mol sieve part measures 0.3 m in diameter by 0.1 m tall and
contains 5 kg of media. The copper part measures 0.3 m in diameter by 0.6 m tall and contains
34 kg of media.
During the filling the LAr will flow through the liquid filtration, then the LAr phase separator and
into the cryostat.
After the filling is completed, the cryostat liquid argon inventory is continuously circulated through
one set of liquid purification filters for oxygen and water in order to quickly reduce and maintain the
impurity concentration at the level of < 100 ppt oxygen equivalent, matching the required electron
lifetime of the TPC detector. A dedicated special device, originally developed by ICARUS (usually
indicated as “Purity Monitor"), for the measurement of the impurity concentration in liquid argon
will be located immediately downstream the filtration system, providing information about the
quality of the liquid and correspondingly about the actual level of impurity removal efficiency
of the filter. After the filter the ultrapure argon is returned back to the cryostat via the LAr
phase separator. Purity monitors will also be resident inside the cryostat, measuring the electron
lifetime at different depths of the LAr volume. The purity monitors (provided by the ProtoDUNE-
SP collaboration) are described in greater detail in Section 2.12.1.
The filter material, composed by molecular sieve pellets to remove water and by alumina porous
granules covered by highly active metallic copper for catalytic removal of O
2
by Cu oxidization,
is subject to saturation when the trapped/reacted impurity budget exceeds the removal capacity
of the filter material. When this occurs (signaled by the fast drop of LAr purity level detected by
the external purity monitor) the liquid argon flow is switched to the back-up, ready-for-use filter
and the saturated one is regenerated in-situ.
The filter regeneration process is done in subsequent steps. The saturated filter is first warmed up
with heated argon gas to an elevated temperature driving into the gas the water captured by the
molecular sieve media. A gas mixture of 1.5% hydrogen (reducing agent) with a balance of argon
(inert carrier) at high temperature (500 K) is then used for the reduction of the copper oxide back
to metallic copper. Water produced by the reduction process is vented out with the gas flow. The
regenerated filter is finally cooled down and ready to be switched into service.
Internal Cryogenics
Internal piping is positioned inside the cryostat to support the air purge and
cool-down processes, but also the LAr distribution during filling and normal operations. During
air purge argon gas is injected at the bottom of the cryostat and distributed through a set of
pipes that pushes the air up and forces it out from the roof. The flow nozzles will be directed
downward and to the side so that the injection velocity will not cause local vertical gas plumes
or turbulent mixing but rather will spread across the bottom of the tank and produce a stable,
upwardly advancing argon wave front. The vertical velocity of 1.2 m/hr for the gas purge includes
a contingency for some level of turbulent mixing. In addition to the main vent, all nozzles and
dead-end (stagnant) volumes located at the top of the cryostat will have gas-exhaust lines for
the initial purge and for continuous sweep-purge of those volumes during normal operations. The
sweep-purge during the initial stage of purging will be vented outside of the building, whereas the
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–109
sweep-purge during normal operations will be re-condensed and recirculated as liquid.
The cool-down of the cryostat and detector is performed through a set of manifolds flowing LAr
(one) and GAr (two). The LAr manifold and a GAr manifold are joined together and terminate
with a set of sprayers that deliver a mist of LAr and GAr. This mist is circulated within the
cryostat by a jet of GAr coming from the other manifold, which also terminates with sprayers.
These manifolds are located on the Jura side and are off to the side of the TPC so as not to flow
LAr and GAr directly over the detector itself. The chosen sprayers guarantee a flat profile of the
fluid (LAr and GAr) coming out.
During filling and normal operations, the LAr-supply pipework distributes the LAr at the bottom
of the cryostat. The outlets are at the end of the pipes, as far away as possible from the side
penetration from which the LAr is sent to the purification system.
2.11.5
Cryostat pressure control
The pressure inside the cryostat is maintained within a very narrow range by a set of active
controls. There are pressure control valves that can increase or decrease the cooling power in the
condenser by controlling the amount of LN2 flowing to the heat exchanger and being vented. Other
pressure control valves can be used to vent GAr to atmosphere and/or introduce clean GAr from
the storage, as needed. The system is always in place, from the initial purge to the emptying of
the cryostat at the end of operations.
Normal Operations
The pressure-control valves are sized and set to control the internal cryo-
stat pressure under normal operating conditions to the nominal design pressure of 0.113 MPa.
Fluctuations within the range 0.105 MPa (80 mBarg) to 0.120 MPa (230 mBarg) will be allowed.
Excursions of a few percent (exact values to be determined) above or below these levels will set off
warnings to alert the operator to intervene. Further excursion may result in automatic (executive)
actions. These actions may include stopping the LAr circulation pumps (to reduce the heat ingress
to the cryostat), increasing the argon flow rate through the condenser, increasing the LN2 flow
through the heat exchanger inside the condenser, powering down heat sources within the cryostat
(e.g., detector electronics), venting some of the GAr to reduce the pressure in a controlled way.
Eventually, if the pressure continues to rise, it will trigger the Pressure Safety Valves (PSVs) to
operate.
If the pressure decreases, fresh GAr can be introduced into the cryostat through the GAr make-up
line, a dedicated GAr feed line that takes argon directly from the outside supply. If the pressure
continues to decline, it will trigger the Vacuum Safety Valves (VSVs) to operate. Table 2.12
summarizes the cryostat pressures during normal operation.
The ability of the control system to maintain a set pressure is dependent on the size of pressure
upsets (due to changes in flow, heat load, temperature, atmospheric pressure, etc.) and the volume
of gas in the system. The reference design has 0.4 m of gas at the top of the cryostat. This is
5% of the total argon volume and is the typical vapor fraction used for cryogenic storage vessels.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---