Cover Image

Benchmarking the design of the cryogenics system for the underground argon in DarkSide-20k

Fuente: arXiv

Saved in:

Bibliographic Details
Main Authors:	20k Collaboration, Acerbi, F., Adhikari, P., Agnes, P., Ahmad, I., Albergo, S., Albuquerque, I. F. M., Alexander, T., Alton, A. K., Amaudruz, P., Angiolilli, M., Aprile, E., Ardito, R., Corona, M. Atzori, Auty, D. J., Ave, M., Avetisov, I. C., Azzolini, O., Back, H. O., Balmforth, Z., Olmedo, A. Barrado, Barrillon, P., Batignani, G., Bhowmick, P., Blua, S., Bocci, V., Bonivento, W., Bottino, B., Boulay, M. G., Buchowicz, A., Bussino, S., Busto, J., Cadeddu, M., Cadoni, M., Calabrese, R., Camillo, V., Caminata, A., Canci, N., Capra, A., Caravati, M., Cárdenas-Montes, M., Cargioli, N., Carlini, M., Castellani, A., Castello, P., Cavalcante, P., Cebrian, S., Ruiz, J. Cela, Chashin, S., Chepurnov, A., Cifarelli, L., Cintas, D., Citterio, M., Cleveland, B., Coadou, Y., Cocco, V., Colaiuda, D., Vilda, E. Conde, Consiglio, L., Costa, B. S., Czubak, M., D'Aniello, M., D'Auria, S., Rolo, M. D. Da Rocha, Darbo, G., Davini, S., De Cecco, S., De Guido, G., Dellacasa, G., Derbin, A. V., Devoto, A., Di Capua, F., Di Ludovico, A., Di Noto, L., Di Stefano, P., Dias, L. K., Mairena, D. Díaz, Ding, X., Dionisi, C., Dolganov, G., Dordei, F., Dronik, V., Elersich, A., Ellingwood, E., Erjavec, T., Diaz, M. Fernandez, Ficorella, A., Fiorillo, G., Franchini, P., Franco, D., Gatti, H. Frandini, Frolov, E., Gabriele, F., Gahan, D., Galbiati, C., Galiński, G., Gallina, G., Gallus, G., Garbini, M., Abia, P. Garcia, Gawdzik, A., Gendotti, A., Ghisi, A., Giovanetti, G. K., Casanueva, V. Goicoechea, Gola, A., Grandi, L., Grauso, G., di Cortona, G. Grilli, Grobov, A., Gromov, M., Guerzoni, M., Gulino, M., Guo, C., Hackett, B. R., Hallin, A., Hamer, A., Haranczyk, M., Harrop, B., Hessel, T., Hill, S., Horikawa, S., Hu, J., Hubaut, F., Hucker, J., Hugues, T., Hungerford, E. V., Ianni, A., Ippolito, V., Jamil, A., Jillings, C., Jois, S., Kachru, P., Keloth, R., Kemmerich, N., Kemp, A., Kendziora, C. L., Kimura, M., Kish, A., Kondo, K., Korga, G., Kotsiopoulou, L., Koulosousas, S., Kubankin, A., Kunzé, P., Kuss, M., Kuźniak, M., Kuzwa, M., La Commara, M., Lai, M., Guirriec, E. Le, Leason, E., Leoni, A., Lidey, L., Lissia, M., Luzzi, L., Lychagina, O., Macfadyen, O., Machulin, I. N., Manecki, S., Manthos, I., Mapelli, L., Marasciulli, A., Mari, S. M., Mariani, C., Maricic, J., Martinez, M., Martoff, C. J., Matteucci, G., Mavrokoridis, K., McDonald, A. B., Mclaughlin, J., Merzi, S., Messina, A., Milincic, R., Minutoli, S., Mitra, A., Moharana, A., Moioli, S., Monroe, J., Moretti, E., Morrocchi, M., Mroz, T., Muratova, V. N., Murphy, M., Murra, M., Muscas, C., Musico, P., Nania, R., Nessi, M., Nieradka, G., Nikolopoulos, K., Nikoloudaki, E., Nowak, J., Olchanski, K., Oleinik, A., Oleynikov, V., Organtini, P., de Solórzano, A. Ortiz, Pallavicini, M., Pandola, L., Pantic, E., Paoloni, E., Papi, D., Pastuszak, G., Paternoster, G., Peck, A., Pegoraro, P. A., Pelczar, K., Pellegrini, L. A., Perez, R., Perotti, F., Pesudo, V., Piacentini, S. I., Pino, N., Plante, G., Pocar, A., Poehlmann, M., Pordes, S., Pralavorio, P., Price, D., Puglia, S., Bazetto, M. Queiroga, Ragusa, F., Ramachers, Y., Ramirez, A., Ravinthiran, S., Razeti, M., Renshaw, A. L., Rescigno, M., Retiere, F., Rignanese, L. P., Rivetti, A., Roberts, A., Roberts, C., Rogers, G., Romero, L., Rossi, M., Rubbia, A., Rudik, D., Sabia, M., Salomone, P., Samoylov, O., Sandford, E., Sanfilippo, S., Santone, D., Santorelli, R., Santos, E. M., Savarese, C., Scapparone, E., Schillaci, G., Schuckman II, F. G., Scioli, G., Semenov, D. A., Shalamova, V., Sheshukov, A., Simeone, M., Skensved, P., Skorokhvatov, M. D., Smirnov, O., Smirnova, T., Smith, B., Sotnikov, A., Spadoni, F., Spangenberg, M., Stefanizzi, R., Steri, A., Stornelli, V., Stracka, S., Sulis, S., Sung, A., Sunny, C., Suvorov, Y., Szelc, A. M., Taborda, O., Tartaglia, R., Taylor, A., Taylor, J., Tedesco, S., Testera, G., Thieme, K., Thompson, A., Thorpe, T. N., Tonazzo, A., Torres-Lara, S., Tricomi, A., Unzhakov, E. V., Vallivilayil, T. J., Van Uffelen, M., Velazquez-Fernandez, L., Viant, T., Viel, S., Vishneva, A., Vogelaar, R. B., Vossebeld, J., Vyas, B., Wada, M., Walczak, M. B., Wang, H., Wang, Y., Westerdale, S., Williams, L., Wojaczyński, R., Wojcik, M., Wojcik, M. M., Wright, T., Xiao, X., Xie, Y., Yang, C., Yin, J., Zabihi, A., Zakhary, P., Zani, A., Zhang, Y., Zhu, T., Zichichi, A., Zuzel, G., Zykova, M. P.
Format:	Preprint
Published:	2024
Subjects:	Instrumentation and Detectors High Energy Physics - Experiment
Online Access:	Acceder al recurso
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!

_version_	1866909501082304512
author	20k Collaboration Acerbi, F. Adhikari, P. Agnes, P. Ahmad, I. Albergo, S. Albuquerque, I. F. M. Alexander, T. Alton, A. K. Amaudruz, P. Angiolilli, M. Aprile, E. Ardito, R. Corona, M. Atzori Auty, D. J. Ave, M. Avetisov, I. C. Azzolini, O. Back, H. O. Balmforth, Z. Olmedo, A. Barrado Barrillon, P. Batignani, G. Bhowmick, P. Blua, S. Bocci, V. Bonivento, W. Bottino, B. Boulay, M. G. Buchowicz, A. Bussino, S. Busto, J. Cadeddu, M. Cadoni, M. Calabrese, R. Camillo, V. Caminata, A. Canci, N. Capra, A. Caravati, M. Cárdenas-Montes, M. Cargioli, N. Carlini, M. Castellani, A. Castello, P. Cavalcante, P. Cebrian, S. Ruiz, J. Cela Chashin, S. Chepurnov, A. Cifarelli, L. Cintas, D. Citterio, M. Cleveland, B. Coadou, Y. Cocco, V. Colaiuda, D. Vilda, E. Conde Consiglio, L. Costa, B. S. Czubak, M. D'Aniello, M. D'Auria, S. Rolo, M. D. Da Rocha Darbo, G. Davini, S. De Cecco, S. De Guido, G. Dellacasa, G. Derbin, A. V. Devoto, A. Di Capua, F. Di Ludovico, A. Di Noto, L. Di Stefano, P. Dias, L. K. Mairena, D. Díaz Ding, X. Dionisi, C. Dolganov, G. Dordei, F. Dronik, V. Elersich, A. Ellingwood, E. Erjavec, T. Diaz, M. Fernandez Ficorella, A. Fiorillo, G. Franchini, P. Franco, D. Gatti, H. Frandini Frolov, E. Gabriele, F. Gahan, D. Galbiati, C. Galiński, G. Gallina, G. Gallus, G. Garbini, M. Abia, P. Garcia Gawdzik, A. Gendotti, A. Ghisi, A. Giovanetti, G. K. Casanueva, V. Goicoechea Gola, A. Grandi, L. Grauso, G. di Cortona, G. Grilli Grobov, A. Gromov, M. Guerzoni, M. Gulino, M. Guo, C. Hackett, B. R. Hallin, A. Hamer, A. Haranczyk, M. Harrop, B. Hessel, T. Hill, S. Horikawa, S. Hu, J. Hubaut, F. Hucker, J. Hugues, T. Hungerford, E. V. Ianni, A. Ippolito, V. Jamil, A. Jillings, C. Jois, S. Kachru, P. Keloth, R. Kemmerich, N. Kemp, A. Kendziora, C. L. Kimura, M. Kish, A. Kondo, K. Korga, G. Kotsiopoulou, L. Koulosousas, S. Kubankin, A. Kunzé, P. Kuss, M. Kuźniak, M. Kuzwa, M. La Commara, M. Lai, M. Guirriec, E. Le Leason, E. Leoni, A. Lidey, L. Lissia, M. Luzzi, L. Lychagina, O. Macfadyen, O. Machulin, I. N. Manecki, S. Manthos, I. Mapelli, L. Marasciulli, A. Mari, S. M. Mariani, C. Maricic, J. Martinez, M. Martoff, C. J. Matteucci, G. Mavrokoridis, K. McDonald, A. B. Mclaughlin, J. Merzi, S. Messina, A. Milincic, R. Minutoli, S. Mitra, A. Moharana, A. Moioli, S. Monroe, J. Moretti, E. Morrocchi, M. Mroz, T. Muratova, V. N. Murphy, M. Murra, M. Muscas, C. Musico, P. Nania, R. Nessi, M. Nieradka, G. Nikolopoulos, K. Nikoloudaki, E. Nowak, J. Olchanski, K. Oleinik, A. Oleynikov, V. Organtini, P. de Solórzano, A. Ortiz Pallavicini, M. Pandola, L. Pantic, E. Paoloni, E. Papi, D. Pastuszak, G. Paternoster, G. Peck, A. Pegoraro, P. A. Pelczar, K. Pellegrini, L. A. Perez, R. Perotti, F. Pesudo, V. Piacentini, S. I. Pino, N. Plante, G. Pocar, A. Poehlmann, M. Pordes, S. Pralavorio, P. Price, D. Puglia, S. Bazetto, M. Queiroga Ragusa, F. Ramachers, Y. Ramirez, A. Ravinthiran, S. Razeti, M. Renshaw, A. L. Rescigno, M. Retiere, F. Rignanese, L. P. Rivetti, A. Roberts, A. Roberts, C. Rogers, G. Romero, L. Rossi, M. Rubbia, A. Rudik, D. Sabia, M. Salomone, P. Samoylov, O. Sandford, E. Sanfilippo, S. Santone, D. Santorelli, R. Santos, E. M. Savarese, C. Scapparone, E. Schillaci, G. Schuckman II, F. G. Scioli, G. Semenov, D. A. Shalamova, V. Sheshukov, A. Simeone, M. Skensved, P. Skorokhvatov, M. D. Smirnov, O. Smirnova, T. Smith, B. Sotnikov, A. Spadoni, F. Spangenberg, M. Stefanizzi, R. Steri, A. Stornelli, V. Stracka, S. Sulis, S. Sung, A. Sunny, C. Suvorov, Y. Szelc, A. M. Taborda, O. Tartaglia, R. Taylor, A. Taylor, J. Tedesco, S. Testera, G. Thieme, K. Thompson, A. Thorpe, T. N. Tonazzo, A. Torres-Lara, S. Tricomi, A. Unzhakov, E. V. Vallivilayil, T. J. Van Uffelen, M. Velazquez-Fernandez, L. Viant, T. Viel, S. Vishneva, A. Vogelaar, R. B. Vossebeld, J. Vyas, B. Wada, M. Walczak, M. B. Wang, H. Wang, Y. Westerdale, S. Williams, L. Wojaczyński, R. Wojcik, M. Wojcik, M. M. Wright, T. Xiao, X. Xie, Y. Yang, C. Yin, J. Zabihi, A. Zakhary, P. Zani, A. Zhang, Y. Zhu, T. Zichichi, A. Zuzel, G. Zykova, M. P.
author_facet	20k Collaboration Acerbi, F. Adhikari, P. Agnes, P. Ahmad, I. Albergo, S. Albuquerque, I. F. M. Alexander, T. Alton, A. K. Amaudruz, P. Angiolilli, M. Aprile, E. Ardito, R. Corona, M. Atzori Auty, D. J. Ave, M. Avetisov, I. C. Azzolini, O. Back, H. O. Balmforth, Z. Olmedo, A. Barrado Barrillon, P. Batignani, G. Bhowmick, P. Blua, S. Bocci, V. Bonivento, W. Bottino, B. Boulay, M. G. Buchowicz, A. Bussino, S. Busto, J. Cadeddu, M. Cadoni, M. Calabrese, R. Camillo, V. Caminata, A. Canci, N. Capra, A. Caravati, M. Cárdenas-Montes, M. Cargioli, N. Carlini, M. Castellani, A. Castello, P. Cavalcante, P. Cebrian, S. Ruiz, J. Cela Chashin, S. Chepurnov, A. Cifarelli, L. Cintas, D. Citterio, M. Cleveland, B. Coadou, Y. Cocco, V. Colaiuda, D. Vilda, E. Conde Consiglio, L. Costa, B. S. Czubak, M. D'Aniello, M. D'Auria, S. Rolo, M. D. Da Rocha Darbo, G. Davini, S. De Cecco, S. De Guido, G. Dellacasa, G. Derbin, A. V. Devoto, A. Di Capua, F. Di Ludovico, A. Di Noto, L. Di Stefano, P. Dias, L. K. Mairena, D. Díaz Ding, X. Dionisi, C. Dolganov, G. Dordei, F. Dronik, V. Elersich, A. Ellingwood, E. Erjavec, T. Diaz, M. Fernandez Ficorella, A. Fiorillo, G. Franchini, P. Franco, D. Gatti, H. Frandini Frolov, E. Gabriele, F. Gahan, D. Galbiati, C. Galiński, G. Gallina, G. Gallus, G. Garbini, M. Abia, P. Garcia Gawdzik, A. Gendotti, A. Ghisi, A. Giovanetti, G. K. Casanueva, V. Goicoechea Gola, A. Grandi, L. Grauso, G. di Cortona, G. Grilli Grobov, A. Gromov, M. Guerzoni, M. Gulino, M. Guo, C. Hackett, B. R. Hallin, A. Hamer, A. Haranczyk, M. Harrop, B. Hessel, T. Hill, S. Horikawa, S. Hu, J. Hubaut, F. Hucker, J. Hugues, T. Hungerford, E. V. Ianni, A. Ippolito, V. Jamil, A. Jillings, C. Jois, S. Kachru, P. Keloth, R. Kemmerich, N. Kemp, A. Kendziora, C. L. Kimura, M. Kish, A. Kondo, K. Korga, G. Kotsiopoulou, L. Koulosousas, S. Kubankin, A. Kunzé, P. Kuss, M. Kuźniak, M. Kuzwa, M. La Commara, M. Lai, M. Guirriec, E. Le Leason, E. Leoni, A. Lidey, L. Lissia, M. Luzzi, L. Lychagina, O. Macfadyen, O. Machulin, I. N. Manecki, S. Manthos, I. Mapelli, L. Marasciulli, A. Mari, S. M. Mariani, C. Maricic, J. Martinez, M. Martoff, C. J. Matteucci, G. Mavrokoridis, K. McDonald, A. B. Mclaughlin, J. Merzi, S. Messina, A. Milincic, R. Minutoli, S. Mitra, A. Moharana, A. Moioli, S. Monroe, J. Moretti, E. Morrocchi, M. Mroz, T. Muratova, V. N. Murphy, M. Murra, M. Muscas, C. Musico, P. Nania, R. Nessi, M. Nieradka, G. Nikolopoulos, K. Nikoloudaki, E. Nowak, J. Olchanski, K. Oleinik, A. Oleynikov, V. Organtini, P. de Solórzano, A. Ortiz Pallavicini, M. Pandola, L. Pantic, E. Paoloni, E. Papi, D. Pastuszak, G. Paternoster, G. Peck, A. Pegoraro, P. A. Pelczar, K. Pellegrini, L. A. Perez, R. Perotti, F. Pesudo, V. Piacentini, S. I. Pino, N. Plante, G. Pocar, A. Poehlmann, M. Pordes, S. Pralavorio, P. Price, D. Puglia, S. Bazetto, M. Queiroga Ragusa, F. Ramachers, Y. Ramirez, A. Ravinthiran, S. Razeti, M. Renshaw, A. L. Rescigno, M. Retiere, F. Rignanese, L. P. Rivetti, A. Roberts, A. Roberts, C. Rogers, G. Romero, L. Rossi, M. Rubbia, A. Rudik, D. Sabia, M. Salomone, P. Samoylov, O. Sandford, E. Sanfilippo, S. Santone, D. Santorelli, R. Santos, E. M. Savarese, C. Scapparone, E. Schillaci, G. Schuckman II, F. G. Scioli, G. Semenov, D. A. Shalamova, V. Sheshukov, A. Simeone, M. Skensved, P. Skorokhvatov, M. D. Smirnov, O. Smirnova, T. Smith, B. Sotnikov, A. Spadoni, F. Spangenberg, M. Stefanizzi, R. Steri, A. Stornelli, V. Stracka, S. Sulis, S. Sung, A. Sunny, C. Suvorov, Y. Szelc, A. M. Taborda, O. Tartaglia, R. Taylor, A. Taylor, J. Tedesco, S. Testera, G. Thieme, K. Thompson, A. Thorpe, T. N. Tonazzo, A. Torres-Lara, S. Tricomi, A. Unzhakov, E. V. Vallivilayil, T. J. Van Uffelen, M. Velazquez-Fernandez, L. Viant, T. Viel, S. Vishneva, A. Vogelaar, R. B. Vossebeld, J. Vyas, B. Wada, M. Walczak, M. B. Wang, H. Wang, Y. Westerdale, S. Williams, L. Wojaczyński, R. Wojcik, M. Wojcik, M. M. Wright, T. Xiao, X. Xie, Y. Yang, C. Yin, J. Zabihi, A. Zakhary, P. Zani, A. Zhang, Y. Zhu, T. Zichichi, A. Zuzel, G. Zykova, M. P.
contents	DarkSide-20k (DS-20k) is a dark matter detection experiment under construction at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in Italy. It utilises ~100 t of low radioactivity argon from an underground source (UAr) in its inner detector, with half serving as target in a dual-phase time projection chamber (TPC). The UAr cryogenics system must maintain stable thermodynamic conditions throughout the experiment's lifetime of over 10 years. Continuous removal of impurities and radon from the UAr is essential for maximising signal yield and mitigating background. We are developing an efficient and powerful cryogenics system with a gas purification loop with a target circulation rate of 1000 slpm. Central to its design is a condenser operated with liquid nitrogen which is paired with a gas heat exchanger cascade, delivering a combined cooling power of more than 8 kW. Here we present the design choices in view of the DS-20k requirements, in particular the condenser's working principle and the cooling control, and we show test results obtained with a dedicated benchmarking platform at CERN and LNGS. We find that the thermal efficiency of the recirculation loop, defined in terms of nitrogen consumption per argon flow rate, is 95 % and the pressure in the test cryostat can be maintained within $\pm$(0.1-0.2) mbar. We further detail a 5-day cool-down procedure of the test cryostat, maintaining a cooling rate typically within -2 K/h, as required for the DS-20k inner detector. Additionally, we assess the circuit's flow resistance, and the heat transfer capabilities of two heat exchanger geometries for argon phase change, used to provide gas for recirculation. We conclude by discussing how our findings influence the finalisation of the system design, including necessary modifications to meet requirements and ongoing testing activities.
format	Preprint
id	arxiv_https___arxiv_org_abs_2408_14071
institution	arXiv
publishDate	2024
record_format	arxiv
spellingShingle	Benchmarking the design of the cryogenics system for the underground argon in DarkSide-20k 20k Collaboration Acerbi, F. Adhikari, P. Agnes, P. Ahmad, I. Albergo, S. Albuquerque, I. F. M. Alexander, T. Alton, A. K. Amaudruz, P. Angiolilli, M. Aprile, E. Ardito, R. Corona, M. Atzori Auty, D. J. Ave, M. Avetisov, I. C. Azzolini, O. Back, H. O. Balmforth, Z. Olmedo, A. Barrado Barrillon, P. Batignani, G. Bhowmick, P. Blua, S. Bocci, V. Bonivento, W. Bottino, B. Boulay, M. G. Buchowicz, A. Bussino, S. Busto, J. Cadeddu, M. Cadoni, M. Calabrese, R. Camillo, V. Caminata, A. Canci, N. Capra, A. Caravati, M. Cárdenas-Montes, M. Cargioli, N. Carlini, M. Castellani, A. Castello, P. Cavalcante, P. Cebrian, S. Ruiz, J. Cela Chashin, S. Chepurnov, A. Cifarelli, L. Cintas, D. Citterio, M. Cleveland, B. Coadou, Y. Cocco, V. Colaiuda, D. Vilda, E. Conde Consiglio, L. Costa, B. S. Czubak, M. D'Aniello, M. D'Auria, S. Rolo, M. D. Da Rocha Darbo, G. Davini, S. De Cecco, S. De Guido, G. Dellacasa, G. Derbin, A. V. Devoto, A. Di Capua, F. Di Ludovico, A. Di Noto, L. Di Stefano, P. Dias, L. K. Mairena, D. Díaz Ding, X. Dionisi, C. Dolganov, G. Dordei, F. Dronik, V. Elersich, A. Ellingwood, E. Erjavec, T. Diaz, M. Fernandez Ficorella, A. Fiorillo, G. Franchini, P. Franco, D. Gatti, H. Frandini Frolov, E. Gabriele, F. Gahan, D. Galbiati, C. Galiński, G. Gallina, G. Gallus, G. Garbini, M. Abia, P. Garcia Gawdzik, A. Gendotti, A. Ghisi, A. Giovanetti, G. K. Casanueva, V. Goicoechea Gola, A. Grandi, L. Grauso, G. di Cortona, G. Grilli Grobov, A. Gromov, M. Guerzoni, M. Gulino, M. Guo, C. Hackett, B. R. Hallin, A. Hamer, A. Haranczyk, M. Harrop, B. Hessel, T. Hill, S. Horikawa, S. Hu, J. Hubaut, F. Hucker, J. Hugues, T. Hungerford, E. V. Ianni, A. Ippolito, V. Jamil, A. Jillings, C. Jois, S. Kachru, P. Keloth, R. Kemmerich, N. Kemp, A. Kendziora, C. L. Kimura, M. Kish, A. Kondo, K. Korga, G. Kotsiopoulou, L. Koulosousas, S. Kubankin, A. Kunzé, P. Kuss, M. Kuźniak, M. Kuzwa, M. La Commara, M. Lai, M. Guirriec, E. Le Leason, E. Leoni, A. Lidey, L. Lissia, M. Luzzi, L. Lychagina, O. Macfadyen, O. Machulin, I. N. Manecki, S. Manthos, I. Mapelli, L. Marasciulli, A. Mari, S. M. Mariani, C. Maricic, J. Martinez, M. Martoff, C. J. Matteucci, G. Mavrokoridis, K. McDonald, A. B. Mclaughlin, J. Merzi, S. Messina, A. Milincic, R. Minutoli, S. Mitra, A. Moharana, A. Moioli, S. Monroe, J. Moretti, E. Morrocchi, M. Mroz, T. Muratova, V. N. Murphy, M. Murra, M. Muscas, C. Musico, P. Nania, R. Nessi, M. Nieradka, G. Nikolopoulos, K. Nikoloudaki, E. Nowak, J. Olchanski, K. Oleinik, A. Oleynikov, V. Organtini, P. de Solórzano, A. Ortiz Pallavicini, M. Pandola, L. Pantic, E. Paoloni, E. Papi, D. Pastuszak, G. Paternoster, G. Peck, A. Pegoraro, P. A. Pelczar, K. Pellegrini, L. A. Perez, R. Perotti, F. Pesudo, V. Piacentini, S. I. Pino, N. Plante, G. Pocar, A. Poehlmann, M. Pordes, S. Pralavorio, P. Price, D. Puglia, S. Bazetto, M. Queiroga Ragusa, F. Ramachers, Y. Ramirez, A. Ravinthiran, S. Razeti, M. Renshaw, A. L. Rescigno, M. Retiere, F. Rignanese, L. P. Rivetti, A. Roberts, A. Roberts, C. Rogers, G. Romero, L. Rossi, M. Rubbia, A. Rudik, D. Sabia, M. Salomone, P. Samoylov, O. Sandford, E. Sanfilippo, S. Santone, D. Santorelli, R. Santos, E. M. Savarese, C. Scapparone, E. Schillaci, G. Schuckman II, F. G. Scioli, G. Semenov, D. A. Shalamova, V. Sheshukov, A. Simeone, M. Skensved, P. Skorokhvatov, M. D. Smirnov, O. Smirnova, T. Smith, B. Sotnikov, A. Spadoni, F. Spangenberg, M. Stefanizzi, R. Steri, A. Stornelli, V. Stracka, S. Sulis, S. Sung, A. Sunny, C. Suvorov, Y. Szelc, A. M. Taborda, O. Tartaglia, R. Taylor, A. Taylor, J. Tedesco, S. Testera, G. Thieme, K. Thompson, A. Thorpe, T. N. Tonazzo, A. Torres-Lara, S. Tricomi, A. Unzhakov, E. V. Vallivilayil, T. J. Van Uffelen, M. Velazquez-Fernandez, L. Viant, T. Viel, S. Vishneva, A. Vogelaar, R. B. Vossebeld, J. Vyas, B. Wada, M. Walczak, M. B. Wang, H. Wang, Y. Westerdale, S. Williams, L. Wojaczyński, R. Wojcik, M. Wojcik, M. M. Wright, T. Xiao, X. Xie, Y. Yang, C. Yin, J. Zabihi, A. Zakhary, P. Zani, A. Zhang, Y. Zhu, T. Zichichi, A. Zuzel, G. Zykova, M. P. Instrumentation and Detectors High Energy Physics - Experiment DarkSide-20k (DS-20k) is a dark matter detection experiment under construction at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in Italy. It utilises ~100 t of low radioactivity argon from an underground source (UAr) in its inner detector, with half serving as target in a dual-phase time projection chamber (TPC). The UAr cryogenics system must maintain stable thermodynamic conditions throughout the experiment's lifetime of over 10 years. Continuous removal of impurities and radon from the UAr is essential for maximising signal yield and mitigating background. We are developing an efficient and powerful cryogenics system with a gas purification loop with a target circulation rate of 1000 slpm. Central to its design is a condenser operated with liquid nitrogen which is paired with a gas heat exchanger cascade, delivering a combined cooling power of more than 8 kW. Here we present the design choices in view of the DS-20k requirements, in particular the condenser's working principle and the cooling control, and we show test results obtained with a dedicated benchmarking platform at CERN and LNGS. We find that the thermal efficiency of the recirculation loop, defined in terms of nitrogen consumption per argon flow rate, is 95 % and the pressure in the test cryostat can be maintained within $\pm$(0.1-0.2) mbar. We further detail a 5-day cool-down procedure of the test cryostat, maintaining a cooling rate typically within -2 K/h, as required for the DS-20k inner detector. Additionally, we assess the circuit's flow resistance, and the heat transfer capabilities of two heat exchanger geometries for argon phase change, used to provide gas for recirculation. We conclude by discussing how our findings influence the finalisation of the system design, including necessary modifications to meet requirements and ongoing testing activities.
title	Benchmarking the design of the cryogenics system for the underground argon in DarkSide-20k
topic	Instrumentation and Detectors High Energy Physics - Experiment
url	https://arxiv.org/abs/2408.14071