Dune cdr the Single-Phase Protodune

Chapter 2: Detector components
2–104
from the main GAr outlet, but also from all the side ports located on each penetration through
the roof to ensure that all volumes (especially trapped volumes) are properly purged.
The flow velocity of the advancing GAr will be set to 1.2 m/hour. This is twice the diffusion rate
of the air downward into the advancing argon so that the advancing pure argon-gas wave front will
displace the air rather than just dilute it. A 2D ANSYS model of the purge process shows that
after about 13 hours of purge time and 2 volume changes, the air concentration will be reduced to
less than 1%. At 44 hours of elapsed time and seven volume changes, the purge process is complete
with residual air reduced to a few ppm. This simulation includes a representation of the perforated
field cage at the top and bottom of the detector and heat sources due to the readout electronics.
The Computational Fluid Dynamics (CFD) model of the purge process has been verified in multiple
arrangements: (1) in an instrumented 1 m-diameter by 2 m-tall cylinder, (2) in LAPD, a 3 m-
diameter by 3 m-tall cylindrical tank where gas-sampling measurements were at varying heights
and times during the purge process, and (3) within the 35 ton membrane cryostat, the prototype
vessel built at FNAL in 2013. The results of these tests are available in [21] and [22]. Once
the residual air inside the tank is at the the ppm level, the process continues in the closed loop
configuration.
Purge in closed loop
Water and oxygen will continue to be removed from the system for several
days following the initial purge. During this step the GAr is no longer exhausted but recirculated
through the GAr purifier and sent back to the bottom of the cryostat. The cryostat contains a
relatively large amount of FR4 circuit-board material and a smaller inventory of plastic-jacketed
power and signal cables. These somewhat porous materials may contain as much as 0.5% water
by weight. Water-vapor outgassing from these materials will be entrained in the gas flow exiting
the top of the cryostat and will be removed from the gas stream by filters. Adsorbed water will
also be removed from the metallic inner surfaces of the cryostat and piping system. Water deep
within porous materials will remain; this is not a problem since the water diffusion rate in FR4 at
room temperature is already quite low (0.3 (µm)
2
/s) and the FR4 assemblies are relatively thick
(1 cm).
This process reduces the oxygen and water contamination inside the cryostat to sub-ppm levels,
at which point the cool down may commence.
Cool-down
Purified LAr will be mixed with GAr and distributed by a set of dedicated sprayers
near the top of the cryostat and on the side of the TPC to cool down the cryostat and the detector
in a controlled way. The sprayers deliver a mix of LAr and GAr in atomized form that is moved
inside the cryostat by another set of sprayers flowing GAr only. Part of the boil-off gas is re-
condensed inside the condenser and it then flows back as liquid to feed the LAr sprayers. The
balance is vented during the process. Simulations have shown that this cool-down method can
maintain the cool down requirements of the detector, as listed in Table 2.10 , and those of the
cryostat, which are less stringent. The required cooling rate is determined by the maximum stress
that detector components can tolerate. For example, the 150 µm APA wires will cool much more
rapidly than the APA frames. A temperature-monitoring system (provided by the detector) will
be used to control the temperature difference across the cryostat and the detector.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–105
Filling
Once the cryostat and the TPC are cold, LAr is introduced in the cryostat through the
cryostat filling pipework. Argon is transferred directly from the LAr storage tank after passing
thorough the LAr filtration system for purification. The filling process will take place over three
to four weeks if two trucks per day are delivered; if only one truck per day is delivered, it will take
twice as long.
Steady state operations
During steady state operations :
•
LAr is continuously circulated and purified by means of an external LAr pump (two are
installed for redundancy, but only one is in use at a time).
•
Boil-off GAr is re-condensed in a condenser situated outside the cryostat and purified before
being reintroduced as LAr. The re-condensed LAr is sent to the LAr filtration system by
means of a dedicated LAr pump and mixed in line with the bulk of the liquid coming from
the cryostat. Alternatively, it is possible to send it to the inlet of the main LAr circulation
pumps and from there as a single LAr stream to the filtration system.
Emptying
At the end of operations (or if/when maintenance on the tank is needed) the tank is
emptied and the LAr removed. The LAr is returned to the storage tank outside the building and
from there unloaded back to LAr tankers.
Parameters
Table 2.10 presents a list of relevant parameters for the installation. The filling flow
rate of 18 l/min (0.42 kg/s) is an estimate. The actual value might be limited by the pressure
inside the LAr storage dewar. It is also assumed that the facility at SURF is able to receive two
trucks/day of LAr; this requires confirmation from the suppliers.
Table 2.10: Engineering parameters for cryogenics installation
Mode
Parameter
Value
Notes
Piston purge
GAr flow rate
88 m3/hr
From 1.2 m/hr
Cooldown
Maximum cool-down rate TPC
40 K/hr
T sensors on the detector
responsibility of detector
Cooldown
Maximum delta T between any
50K
T sensors on the detector
two points in the detector
responsibility of detector
Filling (*)
LAr filling flow rate
18 l/min (0.42 kg/s)
Assuming 2 trucks/day
Normal ops
Cryostat static heat leak
3.0 kW
GAr boil-off (18 g/s)
Normal ops
Other heat loads (estimate)
5.0 kW
Total estimate is ∼8 kW
Normal ops
LAr circulation (5 days turnover)
72 l/min (1.67 kg/s)
72 l/min (1.67 kg/s)
Emptying
Nominal flow rate emptying
72 l/min (1.67 kg/s)
All
Condenser size
16 kW
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---