Dune cdr the Single-Phase Protodune

Chapter 2: Detector components
2–101
FILTER
N2 VENT
MOLE
SIEVE
PURITY
MONITOR
LN2 SUPPLY
PC
 
REGENERATION
SYSTEM 
ARGON VENT
FILTER
MOLE SIEVE
 & COPPER
GAS ANALYZERS
ProtoDUNE S/P
(NP-04) 
Cryostat
 LAr SUPPLY    
 Ar + H2 MIX   
 A
r 
P
U
R
G
E
 V
E
N
T
STEEL STRUCTURE
 
LAr Dewar
 
V
A
P
O
R
IZ
E
R
H
T
R
 A
r 
P
 C
O
N
T
R
O
L
INSULATION 
PURGE
Ar PURGES
IN
S
U
L
A
T
IO
N
 
P
U
R
G
E
LAr 
Phase 
Separator
LN2 
Phase 
Separator
Rev. 5 
–
 May 31, 2016
ProtoDUNE Single Phase (NP-04) LAr Systems
Proximity Cryogenics
External Cryogenics
Figure 2.67: Cryogenics process flow diagram
•
It provides the capability to purify the cryostat liquid argon volume to a level of parts per
trillion (ppt) Oxygen equivalent contamination; the purification process uses mole-sieve and
active copper.
•
It provides the capability to purify the re-condensed boil off before reintroducing it inside
the cryostat.
•
It provides means to cool down the cryostat and the detector following the requirements.
•
It distributes the LAr and GAr inside the cryostat to meet the requirements.
Figure 2.68 shows a 3D view of the cryogenic installation as currently designed. The red and green
lines entering from the bottom of the figure are the LN2 and LAr supply lines, respectively, from
the external cryogenics.
Figure 2.69 shows a 3D view of a detail of the internal cryogenics: the cryostat and detector cool
down manifolds at the top of the cryostat.
There is a common receiving facility for NP-02 and NP-04 located outside the building, from which
Argon and Nitrogen lines take LAr, GAr, and LN2 to the respective installations.
A 50 m
3
(69 tons of LAr capacity) vertical dewar will allow for receipt of LAr deliveries for the
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–102
Figure 2.68: 3D model of the installation
Figure 2.69: Detail of the internal cryogenics
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–103
initial filling period. This liquid argon dewar serves also as a buffer volume to accept liquid argon
during the fill period. An analyzer rack with instruments to check water, nitrogen, and oxygen
content of the delivered LAr batches will also be located in the vicinity. A 55-kW vaporizer is used
to vaporize the liquid argon from the storage dewar prior to delivery to the GAr pipes.
The cryostat will have its own argon condenser (16 kW of cooling power), argon-purifying equip-
ment and overpressure protection system. The full power of the argon condenser is used during
the initial cool down phase only, which is expected to take two to three weeks.
A 50 m
3
vertical dewar (40-t LN2 capacity) will allow for receipt of LN2 deliveries and storage of
LN2 for cool down and normal operations. LN2 is flown into the heat exchanger of a condenser
located in close proximity of the cryostat to recondense the boil-off GAr coming from the cryostat
itself.
Two LAr recirculation pumps are placed outside of the membrane cryostat to circulate liquid from
the bottom of the tank through the purifier and then back to the tank to ensure the needed LAr
purity. The purification filters are located in the vicinity of the cryostat. The filters contain dual
media, a molecular sieve for removal of water and a copper coated catalyst media for oxygen
removal. There is one gas filter that is used during the purge in closed loop phase and two liquid
filters used during the filling and normal operations to continuously purify the bulk of the LAr
inside the cryostat. Associated with the filters, there will be regeneration equipment such as
heaters, a GAr supply, a H2 bottle, and a way to mix GAr and H2. Before the Ar is returned
to the cryostat, the LAr flows into a phase separator: the liquid is taken from the bottom and
delivered to the cryostat, while the gas is returned to the condenser.
2.11.3
Modes of operation
The major functions of the cryogenics system servicing the cryostat are to supply cryogens for
cool down and fill, and to provide gas argon filtration and condensing, liquid argon filtration and
circulation. The methods presented in this section are motivated by experience from the cryogenic
systems of other LAr Time Projection Chamber (TPC) experiments, such as ICARUS, LAPD, the
35 ton detector and MicroBooNE.
Cryostat piston purge
After the cryostat construction and following the installation of all scien-
tific equipment, the cryostat will be cleaned and purged in preparation for cool down and filling.
Construction procedures leading up to this point will ensure that the completed cryostat does not
contain debris and is free of all loose material that may contaminate the LAr.
Purge in open loop
Argon piping will be isolated, evacuated to less than 0.1 mbar absolute
pressure and backfilled with high-purity argon gas. This cycle will be repeated several times to
reduce contamination levels in the piping to the ppm level. The reference-design choice for removing
air from the membrane cryostat will be to flow/piston-purge argon, introducing the heavier argon
gas at the bottom of the tank and removing the exhaust at the top. The exhaust will be taken
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---