Chromatographic Separa on of Krypton 85 From Xenon

4 downloads 71 Views 1MB Size Report
scale up of the krypton system. A new Storage and Recovery Vessel. (SRV) will be included in line with the current condenser to func(on as the main condensing  ...
Chromatographic Separa/on of Krypton 85 From Xenon  Megan S. Van Vleet   Case Western Reserve University, Department of Physics, NSF 

Introduc/on 

The Large Underground Xenon (LUX) Detector is a system designed  for the direct detecCon of WIMPs as the leading Dark MaHer  parCcles. This detector, as its name suggests will use a large  amount of xenon (~350kg) in order to detect these elusive  parCcles. 

Results 

In previous runs,  the system funcConed in three disCnct phases of the  purificaCon process, described in figure three: 

Commercially available research grade xenon contains trace  radioacCve contaminants, including krypton 85, which account for  too much background radiaCon for LUX  to clearly detect any signal  of interacCng WIMPs.  

Fig. 3: EluCon curve  of the krypton   system taken by a   gas analyzer 

A krypton removal system was devised, which uClizes a method of  adsorpCon chromatography to separate the krypton from the  xenon. The system is currently being scaled up to deal with  conCnuous cycling of larger amounts of xenon per day. 

The first phase, xenon feed, pictured in the green secCon, is where the  impure xenon is introduced into the system. The blue line denotes the  presence of xenon, while the red line denotes the presence of krypton.  

Methods 

Helium is pumped through the system as a carrier gas for the  contaminated xenon throughout the circulaCon system. The gases  are then introduced into a charcoal adsorber column.  The  properCes of the adsorber induce an electric dipole in the gases,  which are then aHracted  by a Van der Waals force to the porous  surface of the adsorber. Each gas species has a specific adsorpCon  constant (k), which governs the  level of aHracCon between these  gases and the adsorber. The krypton and xenon therefore  propagate through the charcoal column at different rates, because  their adsorpCon constants differ. In this case, the krypton has a  smaller k, which results in it fully exiCng the gas column before the  xenon beings to emerge. This difference in adsorpCon constants,  balanced with the mass flow rate of the gases, is essenCally what  allows for the complete separaCon of the two noble gases from  each other, and therefore the ultra pure xenon desired for use in  the LUX detector.  

The current charcoal column is also too small to deal with the  proposed mass flow rate of the system in order to purify the full  350 kg of xenon for use in the LUX detector. A new charcoal column  has been designed and fabricated, and currently remains to be  fiHed with its internal filtraCon system, as well as  instrumented for  use in line with the system. 

[1] J.Mock 4/2008 

The second phase is krypton purge, pictured in yellow. This is the period  of Cme in which the krypton exits the adsorber column. It can clearly be  seen that the krypton fully exits the column during this phase well  before the xenon begins to emerge. This clear separaCon between the  peaks illustrates the effecCveness of this chromatographic separaCon.  The third phase is xenon recovery, which is several Cmes longer than the  other phases,  due to the need for a low mass flow rate in order to  increase the efficiency of xenon recovery.  Fig. 6: Current, exisCng charcoal  column with smaller volume  Fig. 4 (right): A measure of volume flow   rate vs mass flow rate in the adsorber   column. This data suggests that the   pressure throughout the column   is not constant, which implies a need for  either a larger vacuum pump to keep the  flows constant, or a changed geometry   of the adsorber column, to allow for a   more uniform pressure differenCal. 

Fig. 7: New, larger volume  charcoal adsorber column  

Literature Cited 

[1] J.Mock 4/2008 

[1]Bolozdynya, A. I., P. P. Brusov, T. ShuH, C. E. Dahl, and J. Kwong. "A  chromatographic system for removal of radioacCve 85Kr from  Xenon." (2007). Print.  [2]Mock, Jeremy. "Vacuum Recovery Phase in a Chromatographic System for  Removal of 85 Kr from Xenon." Thesis. Case Western Reserve Univeristy,  2008. Print. 

Fig. 1: (leH) Main panel  of the krypton system 

Fig. 2: (right) SchemaCc  of the  krypton system 

Conclusions 

Much more work remains to be done in order to complete the full  scale up of the krypton system. A new Storage and Recovery Vessel  (SRV) will be included in line with the current condenser to  funcCon as the main condensing unit, given its higher efficiency  and  larger capacity.  

[3]ShuH, T. KR purifica+on system at Case: First Results. Rep. 2006. Print.  Fig. 5 (leH): Xenon recovery  cycle for various mass flow  rates. This data suggests that a  mass flow rate of 20 slpm  reduces the propagaCon Cme  by one fourth. The higher the  mass flow rate, the shorter the  propagaCon Cme.  [1] J.Mock 4/2008 

Acknowledgements 

I would like to thank the following people and organizaCons for their  contribuCons to and assistance in this project:  D. Akerib: Dept. Chair, Dept of Phyiscs, CWRU  T. ShuH: Prof of Physics, P.I. LUX, Dept of Physics, CWRU  A. Bolozdynya: Senior ScienCst, Dept of Physics, CWRU  NSF REU grant DMR‐0850037