Dune cdr the Single-Phase Protodune

Chapter 2: Detector components
2–95
dead material of the cryostat and its insulation, a beam window is inserted at the primary beam
position as defined in Section 6.1.
The vacuum pipe of the beamline has an external diameter of 219 mm. The beam window is
being designed with a dimension of 250 mm in diameter to allow for alignment tolerances. The
direction of the beam window follows the one of the beam. The outer portion of the beam window
penetration is a vacuum pipe that extends from the H4 beamline (see Section 6.2) through the
outer insulation layer and ends at the secondary membrane. A safety valve at the cryostat entrance
ensures fast segmentation of the vacuum in case of accident. The portion of the foam insulation
between the secondary and the primary membrane is replaced with a lower density foam (9 kg/m
3
).
To maintain structural integrity, the plywood supporting the primary membrane in the vicinity
of the beam window penetration is replaced with a Nomex honeycomb plate sandwiched between
thin G10 or Carbon layers. Nomex is a polymer material with high thermal resistance and Nomex
sandwiches are well known for their structural resistance, and have already been used at cryogenic
temperatures in the ATLAS detector. In this design, both the primary and secondary stainless steel
membranes remain intact. Care has been taken to position the beam window exit on the interior of
the cryostat to match a flat section of the corrugated primary SS membrane. Thermal and stress
analyses are being conducted in collaboration with GTT. These will influence the detailed design
of the first segment of the beam window. The total amount of material in this design, including the
primary membrane, and assuming a 0.3 mm G10 thickness on both sides of the Nomex sandwich
and a 0.3-mm-thick steel beam window, is equivalent to 10% of a radiation length.
2.10.7
Roof signal, services and support penetrations
The penetrations through the cryostat have been arranged by position and diameter. Most of
the penetrations are placed on the ceiling of the cryostat. They have been differentiated into two
main groups according to their function and the thermal stresses they will be submitted to. The
classification determines whether penetrations can be used to support the weight of the detector
or not. The penetrations on the roof of the NP04 cryostat are detailed in Table 2.9. A 3D CAD
model to identify all positions can be found at [18] and in an associated drawing [19].
2.10.8
Detector support structure (DSS)
Prior to the installation of the TPC, the detector support structure DSS is installed inside the
cryostat. The DSS is shown in Figure 2.65. It is positioned near the ceiling and is supported
by nine penetrations through the cold side of the membrane extending up to the warm structure
of the cryostat. The warm structure of the cryostat supports all of the loads from the detector.
The DSS consists of two layers of I beams. The top (yellow) layer is oriented in the y direction
and designated as the Y beams and the bottom (purple) layer is oriented in the x direction and
designated as the X beams.
The Y beams are fixed in the y direction at the center support point, but free to move during
the cool down at the two outer points. The ends of the Y beams are expected to shrink ∼10 mm
towards the center during cooldown to LAr temperature.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–96
Table 2.9: Cryostat penetrations in roof and on side.
Component
Quantity
Value
West TPC translation suspension:
crossing tube diameter
200 mm
Center TPC translation suspension:
crossing tube diameter
200 mm
East TPC translation suspension:
crossing tube diameter
200 mm
Signal cable chimney FTs:
crossing tube diameter
250 mm
Spare on Signal cable row FTs:
crossing tube diameter
250 mm
Laser FTs:
crossing tube diameter
160 mm
Calibration Fiber CPA FT:
crossing tube diameter
250 mm
Spare on CPA line FTs:
crossing tube diameter
150 mm
HV FT:
crossing tube diameter
250 mm
Manhole:
crossing tube diameter
710 mm
Angled beam windows – west side:
crossing tube diameter
250 mm
Vertical: 11.342
◦
Horizontal: 11.844
◦
TCO - side:
1200mm × 7300mm
Cryogenic pipes - roof:
crossing tube diameter
250 mm
crossing tube diameter
304 mm
crossing tube diameter
152 mm
crossing tube diameter
125 mm
crossing tube diameter
250 mm
Cryogenic pipes – north side:
crossing tube diameter
350 mm
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–97
The X beams are used for the direct support and positioning of the TPC components. Only three
X beams are shown in Figure 2.65, but there are two additional inbetween the ones shown. The
full set of beams is shown in Figure 2.66 along with the naming convention for the X beams. X
beam A supports the row of APAs near the Saleve side of the cryostat. X beam B is used for the
installation and support of the end wall FC in the Saleve drift of the cryostat. X beam C supports
the row of CPAs. X beam D is used for the installation and support of the end wall FC in the
Jura drift. X beam E supports the row of APAs near the Jura side of the cryostat.
The X beams have the ability to translate on rolling trolleys in the Y direction in order to move
the TPC components from the TCO entrance to their correct position in Y inside the cryostat.
They are fixed in the X direction to the Y beams at the beam side of the cryostat. The reason
to fix the X beams on the beam side is to limit the movement of the beam side of the TPC with
respect to the membrane wall since the beam plug is mounted at this side of the TPC.
Figure 2.65: Detector support system
2.11
Cryogenics and LAr purification systems
2.11.1
Overview, overall planning and ES&H
The scope of the ProtoDUNE Cryogenics includes the design, procurement, fabrication, testing,
delivery, installation oversight and acceptance tests of a comprehensive cryogenic system that
meets the performance requirements for purging, cooling down and filling the cryostat, acquiring
and maintaining the LAr temperature within ±1 K around nominal temperature (88.3 K), purifying
the Liquid Argon (LAr) outside the cryostats, and re-condensing and purifying the boil-off Gaseous
Argon (GAr).
The reference-design for the ProtoDUNE cryogenics infrastructure includes the External, Proximity
and Internal Cryogenics.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---