Cover Image

Flow and thermal modelling of the argon volume in the DarkSide-20k TPC

Fuente: arXiv

Saved in:

Bibliographic Details
Main Authors:	20k Collaboration, Acerbi, F., Adhikari, P., Agnes, P., Ahmad, I., Albergo, S., Albuquerque, I. F., Alexander, T., Alton, A. K., Amaudruz, P., Angiolilli, M., Aprile, E., 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., Bloem, M., 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., Caravati, M., Cárdenas-Montes, M., Cargioli, N., Carlini, M., Castellani, A., Castello, P., Cavalcante, P., Cebrian, S., Chashin, S., Chepurnov, A., Choudhary, S., Cifarelli, L., Cleveland, B., Coadou, Y., Cocco, V., Colaiuda, D., Vilda, E. Conde, Consiglio, L., Corbett, J., Costa, B. S., Czubak, M., D'Aniello, M., D'Auria, S., Rolo, M. D. Da Rocha, Dainty, A., Darbo, G., Davini, S., de Asmundis, R., De Cecco, S., Dellacasa, G., Derbin, A. V., Devoto, A., Di Capua, F., Di Noto, L., Di Stefano, P., Dias, L. K., Mairena, D. Díaz, Dionisi, C., Dolganov, G., Dordei, F., Dronik, V., Dylon, F., Elersich, A., Ellingwood, E., Erjavec, T., Fearon, N., 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., Giovanetti, G. K., Casanueva, V. Goicoechea, Gola, A., Grandi, L., Grauso, G., di Cortona, G. Grilli, Grobov, A., Gromov, M., Gulino, M., Hackett, B. R., Hallin, A. L., Hamer, A., Haranczyk, M., Harrop, B., Hessel, T., Hollingham, J., Horikawa, S., Hu, J., Hubaut, F., Huff, D., Hugues, T., Hungerford, E. V., Ianni, A., Ippolito, V., Jamil, A., Jillings, C., Keloth, R., Kemmerich, N., Kemp, A., Kimura, M., Klenin, 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., Lipp, J., 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., Merzi, S., Messina, A., Milincic, R., Minutoli, S., Mitra, A., Monroe, J., Moretti, E., Morrocchi, M., Morsy, A., Mroz, T., Muratova, V. N., Murra, M., Muscas, C., Musico, P., Nania, R., Nessi, M., Nieradka, G., Nikolopoulos, K., Nikoloudaki, E., Nikulin, I., Nowak, J., Olchanski, K., Oleinik, A., Oleynikov, V., Organtini, P., de Solórzano, A. Ortiz, Padmanabhan, A., Pallavicini, M., Pandola, L., Pantic, E., Paoloni, E., Papi, D., Park, B., Pastuszak, G., Paternoster, G., Peck, A., Pegoraro, P. A., Pelczar, K., Perez, R., Pesudo, V., Piacentini, S., Pino, N., Plante, G., Pocar, A., Pordes, S., Pralavorio, P., Preosti, E., Price, D., Puglia, S., Bazetto, M. Queiroga, Raffaelli, F., Ragusa, F., Ramachers, Y., Ramirez, A., Ravinthiran, S., Razeti, M., Renshaw, A. L., Repond, A., Rescigno, M., Resconi, S., Retiere, F., Rignanese, L. P., Rivetti, A., Roberts, A., Roberts, C., Rogers, G., Romero, L., Rossi, M., Rubbia, A., Rudik, D., Runge, J., Sabia, M. A., Salomone, P., Samoylov, O., Sanfilippo, S., Santone, D., Santorelli, R., Santos, E. M., Sargeant, I., Savarese, C., Scapparone, E., 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., Spadoni, F., Spangenberg, M., 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., Testera, G., Thieme, K., Thompson, A., Torres-Lara, S., Tricomi, A., Unzhakov, E. V., Van Uffelen, M., Viant, T., Viel, S., Vishneva, A., Vogelaar, R. B., Vossebeld, J., Vyas, B., Wada, M., Walczak, M., Wang, H., Wang, Y., Westerdale, S., Williams, L., Wojcik, M., Wojcik, M. M., 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:	2025
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_	1866913913296125952
author	20k Collaboration Acerbi, F. Adhikari, P. Agnes, P. Ahmad, I. Albergo, S. Albuquerque, I. F. Alexander, T. Alton, A. K. Amaudruz, P. Angiolilli, M. Aprile, E. 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. Bloem, M. 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. Caravati, M. Cárdenas-Montes, M. Cargioli, N. Carlini, M. Castellani, A. Castello, P. Cavalcante, P. Cebrian, S. Chashin, S. Chepurnov, A. Choudhary, S. Cifarelli, L. Cleveland, B. Coadou, Y. Cocco, V. Colaiuda, D. Vilda, E. Conde Consiglio, L. Corbett, J. Costa, B. S. Czubak, M. D'Aniello, M. D'Auria, S. Rolo, M. D. Da Rocha Dainty, A. Darbo, G. Davini, S. de Asmundis, R. De Cecco, S. Dellacasa, G. Derbin, A. V. Devoto, A. Di Capua, F. Di Noto, L. Di Stefano, P. Dias, L. K. Mairena, D. Díaz Dionisi, C. Dolganov, G. Dordei, F. Dronik, V. Dylon, F. Elersich, A. Ellingwood, E. Erjavec, T. Fearon, N. 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. Giovanetti, G. K. Casanueva, V. Goicoechea Gola, A. Grandi, L. Grauso, G. di Cortona, G. Grilli Grobov, A. Gromov, M. Gulino, M. Hackett, B. R. Hallin, A. L. Hamer, A. Haranczyk, M. Harrop, B. Hessel, T. Hollingham, J. Horikawa, S. Hu, J. Hubaut, F. Huff, D. Hugues, T. Hungerford, E. V. Ianni, A. Ippolito, V. Jamil, A. Jillings, C. Keloth, R. Kemmerich, N. Kemp, A. Kimura, M. Klenin, 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. Lipp, J. 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. Merzi, S. Messina, A. Milincic, R. Minutoli, S. Mitra, A. Monroe, J. Moretti, E. Morrocchi, M. Morsy, A. Mroz, T. Muratova, V. N. Murra, M. Muscas, C. Musico, P. Nania, R. Nessi, M. Nieradka, G. Nikolopoulos, K. Nikoloudaki, E. Nikulin, I. Nowak, J. Olchanski, K. Oleinik, A. Oleynikov, V. Organtini, P. de Solórzano, A. Ortiz Padmanabhan, A. Pallavicini, M. Pandola, L. Pantic, E. Paoloni, E. Papi, D. Park, B. Pastuszak, G. Paternoster, G. Peck, A. Pegoraro, P. A. Pelczar, K. Perez, R. Pesudo, V. Piacentini, S. Pino, N. Plante, G. Pocar, A. Pordes, S. Pralavorio, P. Preosti, E. Price, D. Puglia, S. Bazetto, M. Queiroga Raffaelli, F. Ragusa, F. Ramachers, Y. Ramirez, A. Ravinthiran, S. Razeti, M. Renshaw, A. L. Repond, A. Rescigno, M. Resconi, S. Retiere, F. Rignanese, L. P. Rivetti, A. Roberts, A. Roberts, C. Rogers, G. Romero, L. Rossi, M. Rubbia, A. Rudik, D. Runge, J. Sabia, M. A. Salomone, P. Samoylov, O. Sanfilippo, S. Santone, D. Santorelli, R. Santos, E. M. Sargeant, I. Savarese, C. Scapparone, E. 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. Spadoni, F. Spangenberg, M. 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. Testera, G. Thieme, K. Thompson, A. Torres-Lara, S. Tricomi, A. Unzhakov, E. V. Van Uffelen, M. Viant, T. Viel, S. Vishneva, A. Vogelaar, R. B. Vossebeld, J. Vyas, B. Wada, M. Walczak, M. Wang, H. Wang, Y. Westerdale, S. Williams, L. Wojcik, M. Wojcik, M. M. 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. Alexander, T. Alton, A. K. Amaudruz, P. Angiolilli, M. Aprile, E. 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. Bloem, M. 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. Caravati, M. Cárdenas-Montes, M. Cargioli, N. Carlini, M. Castellani, A. Castello, P. Cavalcante, P. Cebrian, S. Chashin, S. Chepurnov, A. Choudhary, S. Cifarelli, L. Cleveland, B. Coadou, Y. Cocco, V. Colaiuda, D. Vilda, E. Conde Consiglio, L. Corbett, J. Costa, B. S. Czubak, M. D'Aniello, M. D'Auria, S. Rolo, M. D. Da Rocha Dainty, A. Darbo, G. Davini, S. de Asmundis, R. De Cecco, S. Dellacasa, G. Derbin, A. V. Devoto, A. Di Capua, F. Di Noto, L. Di Stefano, P. Dias, L. K. Mairena, D. Díaz Dionisi, C. Dolganov, G. Dordei, F. Dronik, V. Dylon, F. Elersich, A. Ellingwood, E. Erjavec, T. Fearon, N. 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. Giovanetti, G. K. Casanueva, V. Goicoechea Gola, A. Grandi, L. Grauso, G. di Cortona, G. Grilli Grobov, A. Gromov, M. Gulino, M. Hackett, B. R. Hallin, A. L. Hamer, A. Haranczyk, M. Harrop, B. Hessel, T. Hollingham, J. Horikawa, S. Hu, J. Hubaut, F. Huff, D. Hugues, T. Hungerford, E. V. Ianni, A. Ippolito, V. Jamil, A. Jillings, C. Keloth, R. Kemmerich, N. Kemp, A. Kimura, M. Klenin, 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. Lipp, J. 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. Merzi, S. Messina, A. Milincic, R. Minutoli, S. Mitra, A. Monroe, J. Moretti, E. Morrocchi, M. Morsy, A. Mroz, T. Muratova, V. N. Murra, M. Muscas, C. Musico, P. Nania, R. Nessi, M. Nieradka, G. Nikolopoulos, K. Nikoloudaki, E. Nikulin, I. Nowak, J. Olchanski, K. Oleinik, A. Oleynikov, V. Organtini, P. de Solórzano, A. Ortiz Padmanabhan, A. Pallavicini, M. Pandola, L. Pantic, E. Paoloni, E. Papi, D. Park, B. Pastuszak, G. Paternoster, G. Peck, A. Pegoraro, P. A. Pelczar, K. Perez, R. Pesudo, V. Piacentini, S. Pino, N. Plante, G. Pocar, A. Pordes, S. Pralavorio, P. Preosti, E. Price, D. Puglia, S. Bazetto, M. Queiroga Raffaelli, F. Ragusa, F. Ramachers, Y. Ramirez, A. Ravinthiran, S. Razeti, M. Renshaw, A. L. Repond, A. Rescigno, M. Resconi, S. Retiere, F. Rignanese, L. P. Rivetti, A. Roberts, A. Roberts, C. Rogers, G. Romero, L. Rossi, M. Rubbia, A. Rudik, D. Runge, J. Sabia, M. A. Salomone, P. Samoylov, O. Sanfilippo, S. Santone, D. Santorelli, R. Santos, E. M. Sargeant, I. Savarese, C. Scapparone, E. 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. Spadoni, F. Spangenberg, M. 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. Testera, G. Thieme, K. Thompson, A. Torres-Lara, S. Tricomi, A. Unzhakov, E. V. Van Uffelen, M. Viant, T. Viel, S. Vishneva, A. Vogelaar, R. B. Vossebeld, J. Vyas, B. Wada, M. Walczak, M. Wang, H. Wang, Y. Westerdale, S. Williams, L. Wojcik, M. Wojcik, M. M. Xie, Y. Yang, C. Yin, J. Zabihi, A. Zakhary, P. Zani, A. Zhang, Y. Zhu, T. Zichichi, A. Zuzel, G. Zykova, M. P.
contents	The DarkSide-20k dark matter experiment, currently under construction at LNGS, features a dual-phase time projection chamber (TPC) with a ~50 t argon target from an underground well. At this scale, it is crucial to optimise the argon flow pattern for efficient target purification and for fast distribution of internal gaseous calibration sources with lifetimes of the order of hours. To this end, we have performed computational fluid dynamics simulations and heat transfer calculations. The residence time distribution shows that the detector is well-mixed on time-scales of the turnover time (~40 d). Notably, simulations show that despite a two-order-of-magnitude difference between the turnover time and the half-life of $^{83\text{m}}$Kr of 1.83 h, source atoms have the highest probability to reach the centre of the TPC 13 min after their injection, allowing for a homogeneous distribution before undergoing radioactive decay. We further analyse the thermal aspects of dual-phase operation and define the requirements for the formation of a stable gas pocket on top of the liquid. We find a best-estimate value for the heat transfer rate at the liquid-gas interface of 62 W with an upper limit of 144 W and a minimum gas pocket inlet temperature of 89 K to avoid condensation on the acrylic anode. This study also informs the placement of liquid inlets and outlets in the TPC. The presented techniques are widely applicable to other large-scale, noble-liquid detectors.
format	Preprint
id	arxiv_https___arxiv_org_abs_2503_08468
institution	arXiv
publishDate	2025
record_format	arxiv
spellingShingle	Flow and thermal modelling of the argon volume in the DarkSide-20k TPC 20k Collaboration Acerbi, F. Adhikari, P. Agnes, P. Ahmad, I. Albergo, S. Albuquerque, I. F. Alexander, T. Alton, A. K. Amaudruz, P. Angiolilli, M. Aprile, E. 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. Bloem, M. 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. Caravati, M. Cárdenas-Montes, M. Cargioli, N. Carlini, M. Castellani, A. Castello, P. Cavalcante, P. Cebrian, S. Chashin, S. Chepurnov, A. Choudhary, S. Cifarelli, L. Cleveland, B. Coadou, Y. Cocco, V. Colaiuda, D. Vilda, E. Conde Consiglio, L. Corbett, J. Costa, B. S. Czubak, M. D'Aniello, M. D'Auria, S. Rolo, M. D. Da Rocha Dainty, A. Darbo, G. Davini, S. de Asmundis, R. De Cecco, S. Dellacasa, G. Derbin, A. V. Devoto, A. Di Capua, F. Di Noto, L. Di Stefano, P. Dias, L. K. Mairena, D. Díaz Dionisi, C. Dolganov, G. Dordei, F. Dronik, V. Dylon, F. Elersich, A. Ellingwood, E. Erjavec, T. Fearon, N. 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. Giovanetti, G. K. Casanueva, V. Goicoechea Gola, A. Grandi, L. Grauso, G. di Cortona, G. Grilli Grobov, A. Gromov, M. Gulino, M. Hackett, B. R. Hallin, A. L. Hamer, A. Haranczyk, M. Harrop, B. Hessel, T. Hollingham, J. Horikawa, S. Hu, J. Hubaut, F. Huff, D. Hugues, T. Hungerford, E. V. Ianni, A. Ippolito, V. Jamil, A. Jillings, C. Keloth, R. Kemmerich, N. Kemp, A. Kimura, M. Klenin, 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. Lipp, J. 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. Merzi, S. Messina, A. Milincic, R. Minutoli, S. Mitra, A. Monroe, J. Moretti, E. Morrocchi, M. Morsy, A. Mroz, T. Muratova, V. N. Murra, M. Muscas, C. Musico, P. Nania, R. Nessi, M. Nieradka, G. Nikolopoulos, K. Nikoloudaki, E. Nikulin, I. Nowak, J. Olchanski, K. Oleinik, A. Oleynikov, V. Organtini, P. de Solórzano, A. Ortiz Padmanabhan, A. Pallavicini, M. Pandola, L. Pantic, E. Paoloni, E. Papi, D. Park, B. Pastuszak, G. Paternoster, G. Peck, A. Pegoraro, P. A. Pelczar, K. Perez, R. Pesudo, V. Piacentini, S. Pino, N. Plante, G. Pocar, A. Pordes, S. Pralavorio, P. Preosti, E. Price, D. Puglia, S. Bazetto, M. Queiroga Raffaelli, F. Ragusa, F. Ramachers, Y. Ramirez, A. Ravinthiran, S. Razeti, M. Renshaw, A. L. Repond, A. Rescigno, M. Resconi, S. Retiere, F. Rignanese, L. P. Rivetti, A. Roberts, A. Roberts, C. Rogers, G. Romero, L. Rossi, M. Rubbia, A. Rudik, D. Runge, J. Sabia, M. A. Salomone, P. Samoylov, O. Sanfilippo, S. Santone, D. Santorelli, R. Santos, E. M. Sargeant, I. Savarese, C. Scapparone, E. 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. Spadoni, F. Spangenberg, M. 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. Testera, G. Thieme, K. Thompson, A. Torres-Lara, S. Tricomi, A. Unzhakov, E. V. Van Uffelen, M. Viant, T. Viel, S. Vishneva, A. Vogelaar, R. B. Vossebeld, J. Vyas, B. Wada, M. Walczak, M. Wang, H. Wang, Y. Westerdale, S. Williams, L. Wojcik, M. Wojcik, M. M. 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 The DarkSide-20k dark matter experiment, currently under construction at LNGS, features a dual-phase time projection chamber (TPC) with a ~50 t argon target from an underground well. At this scale, it is crucial to optimise the argon flow pattern for efficient target purification and for fast distribution of internal gaseous calibration sources with lifetimes of the order of hours. To this end, we have performed computational fluid dynamics simulations and heat transfer calculations. The residence time distribution shows that the detector is well-mixed on time-scales of the turnover time (~40 d). Notably, simulations show that despite a two-order-of-magnitude difference between the turnover time and the half-life of $^{83\text{m}}$Kr of 1.83 h, source atoms have the highest probability to reach the centre of the TPC 13 min after their injection, allowing for a homogeneous distribution before undergoing radioactive decay. We further analyse the thermal aspects of dual-phase operation and define the requirements for the formation of a stable gas pocket on top of the liquid. We find a best-estimate value for the heat transfer rate at the liquid-gas interface of 62 W with an upper limit of 144 W and a minimum gas pocket inlet temperature of 89 K to avoid condensation on the acrylic anode. This study also informs the placement of liquid inlets and outlets in the TPC. The presented techniques are widely applicable to other large-scale, noble-liquid detectors.
title	Flow and thermal modelling of the argon volume in the DarkSide-20k TPC
topic	Instrumentation and Detectors High Energy Physics - Experiment
url	https://arxiv.org/abs/2503.08468