Benchmarking the design of the cryogenics system for the underground argon in DarkSide-20k
Authors: 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. , Atzori Corona M. , Auty D.J. , Ave M. , Avetisov I.C. , Azzolini O. , Back H.O. , Balmforth Z. , Barrado Olmedo A. , 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. , Cela Ruiz J. , Chashin S. , Chepurnov A. , Cifarelli L. , Cintas D. , Citterio M. , Cleveland B. , Coadou Y. , Cocco V. , Colaiuda D. , Conde Vilda E. , Consiglio L. , Costa B.S. , Czubak M. , D'Aniello M. , D'Auria S. , Da Rocha Rolo M.D. , 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. , Díaz Mairena D. , Ding X. , Dionisi C. , Dolganov G. , Dordei F. , Dronik V. , Elersich A. , Ellingwood E. , Erjavec T. , Fernandez Diaz M. , Ficorella A. , Fiorillo G. , Franchini P. , Franco D. , Frandini Gatti H. , Frolov E. , Gabriele F. , Gahan D. , Galbiati C. , Galiński G. , Gallina G. , Gallus G. , Garbini M. , Garcia Abia P. , Gawdzik A. , Gendotti A. , Ghisi A. , Giovanetti G.K. , Goicoechea Casanueva V. , Gola A. , Grandi L. , Grauso G. , Grilli di Cortona G. , 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. , Le Guirriec E. , 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. , Ortiz de Solórzano A. , 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. , Queiroga Bazetto M. , 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. ,   The DarkSide-20k collaboration
Published: February 2025

Abstract
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
±(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.