Dune cdr the Single-Phase Protodune

Chapter 2: Detector components
2–110
Table 2.12: Cryostat pressures during normal operations
Cryostat part
Pressure
Vessel ullage pressurization
0.100 MPa (30 mBarg)
Pressure regulation
0.110 MPa (140 mBarg)
Vessel ullage depressurization
0.125 MPa (280 mBarg)
Relief valve set pressure
0.135 MPa (380 mBarg)
Warm structure design working pressure
0.135 MPa (380 mBarg)
Reaction times to changes in the heat load are slow and are typically on the order of an hour.
Overpressure control
In addition to the normal-operation pressure-control system, it is planned
to provide a cryostat overpressure-protection system. This must be a high-integrity, automatic,
failsafe system capable of preventing catastrophic structural failure of the cryostat in the case of
excessive internal pressure.
The key active components of the planned system are Pressure Safety Valves (PSVs) located on
the roof of the cryostat that will monitor the differential pressure between the inside and the
outside of the cryostat and open rapidly when the differential pressure exceeds a preset value. A
pressure-sensing line is used to trigger a pilot valve which in turn opens the PSV. The PSVs are
self-contained devices provided specially for tank protection; they are not normally part of the
control system.
The installation of the PSVs will ensure that each valve can periodically be isolated and tested
for correct operation. The valves must be removable from service for maintenance or replacement
without impacting the overall containment envelope of the cryostat or the integrity of the over-
pressure protection system. This normally requires the inclusion of isolation valves upstream and
downstream of the pressure-relief valves and at least one spare installed relief valve (n+1 provision)
or the use of a diverter valve that allows one valve to be always connected to the cryostat.
When the valves open, argon is released, the pressure within the cryostat falls and argon gas
discharges into the argon vent riser. The valves are designed to close when the pressure returns
below the preset level.
Vacuum-relief system
The cryostat vacuum-relief system is a high-integrity, automatic, failsafe
system designed to prevent catastrophic structural failure of the cryostat due to low internal
pressure. The vacuum-relief system protects the primary membrane tank. Activation of this
system is a non-routine operation and is not anticipated to occur during the life of the cryostat.
Potential causes of reduced pressure in the cryostat include operation of discharge pumps while the
liquid-return inlet valves are shut, gaseous argon condensing in the condenser (a thermo-siphon
effect) or a failure of the vent system when draining the cryostat. Vacuum-relief valves are provided
on LNG storage tanks to protect the structure from these types of events.
The key active components of this additional protection system are Vacuum Safety Valves (VSVs)
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–111
located on the roof of the cryostat that will monitor the differential pressure between the inside
and the outside of the cryostat and open when the differential pressure exceeds a preset value,
allowing air to enter the cryostat to restore a safe pressure. A combo PSV-VSV may be used
instead of two separate devices, one for overpressure and one for vacuum.
2.12
Detector monitoring and slow control
The scope of the ProtoDUNE-SP detector control system (DCS) includes the design, procurement,
fabrication, testing, and delivery of a comprehensive monitoring, control and safety system for the
protoDUNE detector.
The responsibility for the system is split between ProtoDUNE-SP and CERN:
•
The ProtoDUNE-SP collaboration is responsible for all devices that will be installed and
cabled inside the cryostat, the sensors needed to monitor the cryostat and its content, and
the specifications for the system.
•
CERN is responsible for the implementation of the control system elements outside the
cryostat (hardware, firmware and software), including the high-voltage and low-voltage power
supplies necessary for the detector operation.
This section describes the main requirements, constraints and assumptions of the control system,
and its general structure and components.
2.12.1
Monitoring devices and sensors
The protoDUNE-SP apparatus includes instrumentation beyond the TPC and the photon detec-
tors to ensure that the condition of the liquid argon is adequate for operation of the TPC. This
instrumentation includes gas analyzers to monitor the purge of the cryostat and ensure that any
remaining atmospheric contamination is sufficiently low, thermometry to monitor the cryostat
cool-down and filling, purity monitors to provide a rapid assessment of the electron drift-lifetime
independent of the TPCs, and a system of internal cameras to help locate any sparks due to high
voltage breakdown in the cryostat.
In addition, sets of precision temperature sensors are being deployed to measure the temperature
gradients inside the protoDUNE cryostat. These temperature measurements exploit the oppor-
tunity protoDUNE-SP provides to check the predictions of the Computational Fluid Dynamics
models being used to design the argon flow in the (much larger) DUNE cryostat.
The CERN Neutrino platform is providing the essential measurements of the cryostat pressure and
external environmental conditions.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---