Dune cdr the Single-Phase Protodune

Chapter 2: Detector components
2–106
2.11.4
Features
This section briefly describes the main features of the various parts of the cryogenics system.
External Cryogenics
The external cryogenics comprises the liquid argon and liquid nitrogen
receiving facilities, the LAr/GAr and LN2 distribution systems, the argon/hydrogen mixture to
regenerate the LAr/GAr purification filters, and the mechanical filters on the LAr filling line.
The argon grade specification in the current gas supply contract at CERN is Grade 4.6. This
corresponds to a minimum guaranteed purity of 99.996%, allowing a maximum concentration of
5.0 to 10 ppm for O2, H2O and N2. The impurity levels in the delivered argon are typically much
lower, and the argon filtration system reduces the O2 and H2O concentrations sufficiently to meet
the physics requirements.
Facilities are required for the offloading of LN2 and LAr road tankers. Vehicle access and hard-
surfaced driving areas are being constructed adjacent to the LN2/LAr dewars and the LAr/LN2-
supply pipes. A LAr storage dewar will hold the contents of a road tanker in order to minimize
off-loading time. Road tankers will connect to a manifold and will use their on-board pumps to
transfer the LAr to the storage dewar. The LAr will be stored and transported as a liquid inside
the cryostat during the filling process. A bottle containing 100% Hydrogen (H2) will be stored
outside the building, as well, and connected to a GAr line coming from the storage dewar. The
GAr/H2 mixture will be used to regenerate the LAr and GAr purification filters as needed. One
1-micron mechanical filter is located on the LAr feed line to prevent dirt and impurities from the
LAr supply to enter the purification system and the cryostat.
Proximity Cryogenics
The Proximity Cryogenics comprises the argon condenser, the purification
system for the LAr and GAr, the LAr circulation pumps, and the LAr/LN2 phase separators:
Argon reliquefaction and pressure control
The high-purity liquid argon stored in the cryostat
will continuously evaporate due to the unavoidable heat ingress. The argon vapor (boil-off gas) will
be recovered, chilled against a stream of liquid nitrogen, condensed and returned to the cryostat.
A closed system is required in order to prevent the loss of the high-purity argon. The re-condensed
boil-off can be returned to the cryostat in three ways:
1. With a small LAr pump that sends it into the main LAr circulation stream (normal mode).
2. Directly to the condenser (emergency mode, when it is not possible to go through the purifi-
cation system).
3. To the inlet of the main LAr circulation pumps (when the small LAr pump needs mainte-
nance, to guarantee a continuous purification of the boil-off GAr).
During normal operation the expected heat ingress of approximately 8 kW to the argon system
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–107
will result in an evaporation rate of 30 g/s and expanding in volume by a factor of 200 when it
changes from the liquid to vapor phase. This increase in volume within a closed system will, in
the absence of a pressure-control system, raise the internal pressure.
Argon vapor will also be removed from the top of the cryostat through the chimneys that contain
the cryogenic feedthroughs. As the vapor rises, it cools the cables and feedthrough, thereby
minimizing the outgassing. The exiting gaseous argon will be directed to the same condenser as
above, in which it is chilled against a stream of liquid nitrogen and condensed back to a liquid. As
the argon vapor cools, its volume reduces and, in the absence of pressure control, further gas would
be drawn into the heat exchanger, developing a thermal siphon. Therefore, a pressure-control valve
on the boil-off gas lines will control the flow to the condenser to maintain the pressure within the
cryostat at 0.113 MPa ± 0.003 MPa. The liquid nitrogen stream (that provides the coolant for the
condenser) will be supplied from the LN2 phase separator, which is fed by the LN2 storage dewar
located outside of the building. After the heat exchanger the returning N2 vapor is exhausted
outside the building. The estimated heat loads to the argon system are listed in Table 2.11.
Table 2.11: Estimated heat loads within the cryostat
Item
Heat Load (kW)
Insulation Heat Loss
3.0
All other contributions
5.0
(Recirculation pumps, pipes, filters, electronics, etc.)
Total
8.0
Argon purification
The cryostat is designed with one penetration below the liquid level for
external pumps used to transfer LAr from it to the purification system. The pumps are inserted
into a valve box that is an integral part of the proximity cryogenics. The pump suction must be
located at a minimum distance (normally about 1.5 to 2.0 m) below the lowest liquid level at which
they are to pump in order to prevent cavitation and vapor-entrapment. There are two pumps for
continuous operation during maintenance, but only one is expected to be in service at any moment
in time.
The liquid-argon volume will turn over every 5.5 days, which corresponds to 1.67 kg/s (72 l/min)
of flow rate. As a point of comparison, ICARUS T600 has a maximum turn-over rate of eight to
ten days.
The multiple-pump arrangement provides a high level of redundancy, which will extend the
maintenance-free operating period of the cryostat.
The liquid purification system, located nearby the cryostat, consists of two sets of three filter
vessels containing molecular-sieve (1) and copper media (2) filters. They have been arranged in
this configuration to reduce the size of the valve box containing them. Each molecular-sieve filter
is 0.4 m in diameter by 0.9 m tall and contains 80 kg of media. Each copper filter is 0.6 m in
diameter by 1.3 m tall and contains 298 kg of media. The filters are sized to provide effective
media usage at low pressure drop over the expected range of flow rates. They are used during the
filling and normal operations.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---