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

Acerbi, F.; Adhikari, P.; Agnes, P.; Ahmad, I.; Albergo, S.; Albuquerque, I. F.; Alexander, T.; Alton, A. K.; Amaudruz, P.; Angiolilli, M.; Aprile, E.; 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.; 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.; Conde Vilda, E.; Consiglio, L.; Corbett, J.; Costa, B. S.; Czubak, M.; D'Aniello, M.; D'Auria, S.; Da Rocha Rolo, M. D.; 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.; Díaz Mairena, D.; Dionisi, C.; Dolganov, G.; Dordei, F.; Dronik, V.; Dylon, F.; Elersich, A.; Ellingwood, E.; Erjavec, T.; Fearon, N.; 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.; Giovanetti, G. K.; Goicoechea Casanueva, V.; Gola, A.; Grandi, L.; Grauso, G.; Grilli Di Cortona, G.; 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.; Le Guirriec, E.; 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.; Ortiz De Solórzano, A.; 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.; Queiroga Bazetto, M.; 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.; Null, Null

doi:10.1088/1748-0221/20/06/p06046

The DarkSide-20k dark matter experiment, currently under construction at LNGS, features a dual-phase time projection chamber (TPC) with a similar to 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 (similar to 40 d). Notably, simulations show that despite a two-order-of-magnitude difference between the turnover time and the half-life of Kr-83m 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 62W with an upper limit of 144W and a minimum gas pocket inlet temperature of 89K 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.