An efficient cryogenic distillation system was designed and constructed for the PandaX-4T dark matter detector based on the McCabe–Thiele method and the conservation of mass and energy. This distillation system is designed to reduce the concentration of krypton in commercial xenon from 5 × 10−7 to 1014 mol/mol with 99% xenon collection efficiency at a maximum flow rate of 10 kg/h. The offline distillation operation has been completed and 5.75 tons of ultra-high purity xenon was produced, which is used as the detection medium in the PandaX-4T detector. The krypton concentration of the product xenon is measured with an upper limit of 8.0 ppt. The construction, operation, and stable purification performance of the cryogenic distillation system are studied with the experimental data, which is important for theoretical research and distillation operation optimization.

1.
K.
Abe
,
K.
Hiraide
,
K.
Ichimura
,
Y.
Kishimoto
,
K.
Kobayashi
,
M.
Kobayashi
,
S.
Moriyama
,
M.
Nakahata
,
T.
Norita
,
H.
Ogawa
,
K.
Sato
,
H.
Sekiya
,
O.
Takachio
,
A.
Takeda
,
S.
Tasaka
,
M.
Yamashita
,
B. S.
Yang
,
N. Y.
Kim
,
Y. D.
Kim
,
Y.
Itow
,
K.
Kanzawa
,
R.
Kegasa
,
K.
Masuda
,
H.
Takiya
,
K.
Fushimi
,
G.
Kanzaki
,
K.
Martens
,
Y.
Suzuki
,
B. D.
Xu
,
R.
Fujita
,
K.
Hosokawa
,
K.
Miuchi
,
N.
Oka
,
Y.
Takeuchi
,
Y. H.
Kim
,
K. B.
Lee
,
M. K.
Lee
,
Y.
Fukuda
,
M.
Miyasaka
,
K.
Nishijima
, and
S.
Nakamura
, “
A direct dark matter search in XMASS-I
,”
Phys. Lett. B
789
,
45
53
(
2019
).
2.
D. S.
Akerib
,
H. M.
Araújo
,
X.
Bai
,
A. J.
Bailey
,
J.
Balajthy
,
S.
Bedikian
,
E.
Bernard
,
A.
Bernstein
,
A.
Bolozdynya
,
A.
Bradley
,
D.
Byram
,
S. B.
Cahn
,
M. C.
Carmona-Benitez
,
C.
Chan
,
J. J.
Chapman
,
A. A.
Chiller
,
C.
Chiller
,
K.
Clark
,
T.
Coffey
,
A.
Currie
,
A.
Curioni
,
S.
Dazeley
,
L.
de Viveiros
,
A.
Dobi
,
J.
Dobson
,
E. M.
Dragowsky
,
E.
Druszkiewicz
,
B.
Edwards
,
C. H.
Faham
,
S.
Fiorucci
,
C.
Flores
,
R. J.
Gaitskell
,
V. M.
Gehman
,
C.
Ghag
,
K. R.
Gibson
,
M. G. D.
Gilchriese
,
C.
Hall
,
M.
Hanhardt
,
S. A.
Hertel
,
M.
Horn
,
D. Q.
Huang
,
M.
Ihm
,
R. G.
Jacobsen
,
L.
Kastens
,
K.
Kazkaz
,
R.
Knoche
,
S.
Kyre
,
R.
Lander
,
N. A.
Larsen
,
C.
Lee
,
D. S.
Leonard
,
K. T.
Lesko
,
A.
Lindote
,
M. I.
Lopes
,
A.
Lyashenko
,
D. C.
Malling
,
R.
Mannino
,
D. N.
McKinsey
,
D. M.
Mei
,
J.
Mock
,
M.
Moongweluwan
,
J.
Morad
,
M.
Morii
,
A. S. J.
Murphy
,
C.
Nehrkorn
,
H.
Nelson
,
F.
Neves
,
J. A.
Nikkel
,
R. A.
Ott
,
M.
Pangilinan
,
P. D.
Parker
,
E. K.
Pease
,
K.
Pech
,
P.
Phelps
,
L.
Reichhart
,
T.
Shutt
,
C.
Silva
,
W.
Skulski
,
C. J.
Sofka
,
V. N.
Solovov
,
P.
Sorensen
,
T.
Stiegler
,
K.
O’Sullivan
,
T. J.
Sumner
,
R.
Svoboda
,
M.
Sweany
,
M.
Szydagis
,
D.
Taylor
,
B.
Tennyson
,
D. R.
Tiedt
,
M.
Tripathi
,
S.
Uvarov
,
J. R.
Verbus
,
N.
Walsh
,
R.
Webb
,
J. T.
White
,
D.
White
,
M. S.
Witherell
,
M.
Wlasenko
,
F. L. H.
Wolfs
,
M.
Woods
,
C.
Zhang
, and
LUX Collaboration
, “
First results from the LUX dark matter experiment at the Sanford Underground Research Facility
,”
Phys. Rev. Lett.
112
,
091303
(
2014
).
3.
E.
Aprile
,
M.
Alfonsi
,
K.
Arisaka
,
F.
Arneodo
,
C.
Balan
,
L.
Baudis
,
B.
Bauermeister
,
A.
Behrens
,
P.
Beltrame
,
K.
Bokeloh
,
E.
Brown
,
G.
Bruno
,
R.
Budnik
,
J. M. R.
Cardoso
,
W.-T.
Chen
,
B.
Choi
,
D.
Cline
,
A. P.
Colijn
,
H.
Contreras
,
J. P.
Cussonneau
,
M. P.
Decowski
,
E.
Duchovni
,
S.
Fattori
,
A. D.
Ferella
,
W.
Fulgione
,
F.
Gao
,
M.
Garbini
,
C.
Ghag
,
K.-L.
Giboni
,
L. W.
Goetzke
,
C.
Grignon
,
E.
Gross
,
W.
Hampel
,
F.
Kaether
,
A.
Kish
,
J.
Lamblin
,
H.
Landsman
,
R. F.
Lang
,
M.
Le Calloch
,
C.
Levy
,
K. E.
Lim
,
Q.
Lin
,
S.
Lindemann
,
M.
Lindner
,
J. A. M.
Lopes
,
K.
Lung
,
T.
Marrodán Undagoitia
,
F. V.
Massoli
,
A. J.
Melgarejo Fernandez
,
Y.
Meng
,
A.
Molinario
,
E.
Nativ
,
K.
Ni
,
U.
Oberlack
,
S. E. A.
Orrigo
,
E.
Pantic
,
R.
Persiani
,
G.
Plante
,
N.
Priel
,
A.
Rizzo
,
S.
Rosendahl
,
J. M. F.
dos Santos
,
G.
Sartorelli
,
J.
Schreiner
,
M.
Schumann
,
L.
Scotto Lavina
,
P. R.
Scovell
,
M.
Selvi
,
P.
Shagin
,
H.
Simgen
,
A.
Teymourian
,
D.
Thers
,
O.
Vitells
,
H.
Wang
,
M.
Weber
,
C.
Weinheimer
, and
XENON100 Collaboration
, “
Dark matter results from 225 live days of XENON100 data
,”
Phys. Rev. Lett.
109
,
181301
(
2012
).
4.
X.
Xiao
,
X.
Chen
,
A.
Tan
,
Y.
Chen
,
X.
Cui
,
D.
Fang
,
C.
Fu
,
K. L.
Giboni
,
H.
Gong
,
G.
Guo
,
M.
He
,
X.
Ji
,
Y.
Ju
,
S.
Lei
,
S.
Li
,
Q.
Lin
,
H.
Liu
,
J.
Liu
,
X.
Liu
,
W.
Lorenzon
,
Y.
Ma
,
Y.
Mao
,
K.
Ni
,
K.
Pushkin
,
X.
Ren
,
M.
Schubnell
,
M.
Shen
,
Y.
Shi
,
S.
Stephenson
,
H.
Wang
,
J.
Wang
,
M.
Wang
,
S.
Wang
,
X.
Wang
,
Z.
Wang
,
S.
Wu
,
M.
Xiao
,
P.
Xie
,
B.
Yan
,
Y.
You
,
X.
Zeng
,
T.
Zhang
,
L.
Zhao
,
X.
Zhou
,
Z.
Zhu
, and
PandaX Collaboration
, “
Low-mass dark matter search results from full exposure of the PandaX-I experiment
,”
Phys. Rev. D
92
,
052004
(
2015
).
5.
E.
Aprile
and
T.
Doke
, “
Liquid xenon detectors for particle physics and astrophysics
,”
Rev. Mod. Phys.
82
,
2053
2097
(
2010
).
6.
D.
Akimov
, “
Techniques and results for the direct detection of dark matter (review)
,”
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
628
,
50
58
(
2011
).
7.
V.
Chepel
and
H.
Araújo
, “
Liquid noble gas detectors for low energy particle physics
,”
J. Instrum.
8
,
R04001
(
2013
).
8.
R.
Bernabei
,
P.
Belli
,
F.
Montecchia
,
A.
Incicchitti
,
D.
Prosperi
,
C. J.
Dai
,
M.
Angelone
,
P.
Batistoni
, and
M.
Pillon
, “
New limits on particle dark matter search with a liquid Xenon target-scintillator
,”
Phys. Lett. B
436
,
379
388
(
1998
).
9.
K.
Abe
,
J.
Hosaka
,
T.
Iida
,
M.
Ikeda
,
K.
Kobayashi
,
Y.
Koshio
,
A.
Minamino
,
M.
Miura
,
S.
Moriyama
,
M.
Nakahata
,
Y.
Nakajima
,
T.
Namba
,
H.
Ogawa
,
H.
Sekiya
,
M.
Shiozawa
,
Y.
Suzuki
,
A.
Takeda
,
Y.
Takeuchi
,
K.
Ueshima
,
M.
Yamashita
,
K.
Kaneyuki
,
Y.
Ebizuka
,
J.
Kikuchi
,
A.
Ota
,
S.
Suzuki
,
T.
Takahashi
,
H.
Hagiwara
,
T.
Kamei
,
K.
Miyamoto
,
T.
Nagase
,
S.
Nakamura
,
Y.
Ozaki
,
T.
Sato
,
Y.
Fukuda
,
T.
Sato
,
K.
Nishijima
,
M.
Sakurai
,
T.
Maruyama
,
D.
Motoki
,
Y.
Itow
,
H.
Ohsumi
,
S.
Tasaka
,
S. B.
Kim
,
Y. D.
Kim
,
J. I.
Lee
,
S. H.
Moon
,
Y.
Urakawa
,
M.
Uchino
, and
Y.
Kamioka
, “
Distillation of liquid xenon to remove krypton
,”
Astropart. Phys.
31
,
290
296
(
2009
).
10.
Z.
Wang
,
L.
Bao
,
X.
Hao
, and
Y.
Ju
, “
Design and construction of a cryogenic distillation device for removal of krypton for liquid xenon dark matter detectors
,”
Rev. Sci. Instrum.
85
,
015116
(
2014
).
11.
Z.
Wang
,
L.
Bao
,
X. H.
Hao
,
Y. L.
Ju
,
K.
Pushkin
, and
M.
He
, “
Large scale xenon purification using cryogenic distillation for dark matter detectors
,”
J. Instrum.
9
,
P11024
(
2014
).
12.
K.
Abe
,
K.
Hieda
,
K.
Hiraide
,
S.
Hirano
,
Y.
Kishimoto
,
K.
Kobayashi
,
S.
Moriyama
,
K.
Nakagawa
,
M.
Nakahata
,
H.
Nishiie
,
H.
Ogawa
,
N.
Oka
,
H.
Sekiya
,
A.
Shinozaki
,
Y.
Suzuki
,
A.
Takeda
,
O.
Takachio
,
K.
Ueshima
,
D.
Umemoto
,
M.
Yamashita
,
B. S.
Yang
,
S.
Tasaka
,
J.
Liu
,
K.
Martens
,
K.
Hosokawa
,
K.
Miuchi
,
A.
Murata
,
Y.
Onishi
,
Y.
Otsuka
,
Y.
Takeuchi
,
Y. H.
Kim
,
K. B.
Lee
,
M. K.
Lee
,
J. S.
Lee
,
Y.
Fukuda
,
Y.
Itow
,
Y.
Nishitani
,
K.
Masuda
,
H.
Takiya
,
H.
Uchida
,
N. Y.
Kim
,
Y. D.
Kim
,
F.
Kusaba
,
D.
Motoki
,
K.
Nishijima
,
K.
Fujii
,
I.
Murayama
, and
S.
Nakamura
, “
XMASS detector
,”
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
716
,
78
85
(
2013
).
13.
E.
Aprile
,
J.
Aalbers
,
F.
Agostini
,
M.
Alfonsi
,
F. D.
Amaro
,
M.
Anthony
,
F.
Arneodo
,
P.
Barrow
,
L.
Baudis
,
B.
Bauermeister
,
M. L.
Benabderrahmane
,
T.
Berger
,
P. A.
Breur
,
A.
Brown
,
E.
Brown
,
S.
Bruenner
,
G.
Bruno
,
R.
Budnik
,
L.
Bütikofer
, and
I.
Cristescu
, “
Removing krypton from xenon by cryogenic distillation to the ppq level
,”
Eur. Phys. J. C
77
(
5
),
275
(
2017
).
14.
A.
Fieguth
, “
Distillation column for the XENON1T experiment
,”
J. Phys.: Conf. Ser.
718
,
042020
(
2016
).
15.
H.
Zhang
,
A.
Abdukerim
,
W.
Chen
,
X.
Chen
,
Y.
Chen
,
X.
Cui
,
B.
Dong
,
D.
Fang
,
C.
Fu
,
K.
Giboni
,
F.
Giuliani
,
L.
Gu
,
X.
Guo
,
Z.
Guo
,
K.
Han
,
C.
He
,
S.
He
,
D.
Huang
,
X.
Huang
,
Z.
Huang
,
P.
Ji
,
X.
Ji
,
Y.
Ju
,
S.
Li
,
Y.
Li
,
H.
Lin
,
H.
Liu
,
J.
Liu
,
Y.
Ma
,
Y.
Mao
,
K.
Ni
,
J.
Ning
,
X.
Ren
,
F.
Shi
,
A.
Tan
,
A.
Wang
,
C.
Wang
,
H.
Wang
,
M.
Wang
,
Q.
Wang
,
S.
Wang
,
X.
Wang
,
X.
Wang
,
Z.
Wang
,
M.
Wu
,
S.
Wu
,
J.
Xia
,
M.
Xiao
,
P.
Xie
,
B.
Yan
,
J.
Yang
,
Y.
Yang
,
C.
Yu
,
J.
Yuan
,
J.
Yue
,
D.
Zhang
,
T.
Zhang
,
L.
Zhao
,
Q.
Zheng
,
J.
Zhou
,
N.
Zhou
, and
X.
Zhou
, “
Dark matter direct search sensitivity of the PandaX-4T experiment
,”
Sci. China: Phys., Mech. Astron.
62
,
31011
(
2018
).
16.
X.
Cui
, “
PandaX-II dark matter experiment and the PandaX-4T cryogenics, circulation and distillation dystem
,” Ph.D. dissertation (
Shanghai Jiao Tong University, Department of Physics and Astronomy
,
2019
), a full Ph.D. thesis entry.
17.
X.
Cui
,
Z.
Wang
,
Y.
Ju
,
X.
Wang
,
H.
Liu
,
W.
Ma
,
J.
Liu
,
L.
Zhao
,
X.
Ji
,
S.
Li
,
R.
Yan
,
H.
Sha
,
P.
Huang
,
J.
Zhou
,
C.
Shang
, and
L.
Liu
, “
Design and commissioning of the PandaX-4T cryogenic distillation system for krypton and radon removal
,”
J. Instrum.
16
,
P07046
(
2021
).
18.
W. L.
McCabe
,
J. C.
Smith
, and
P.
Harriott
,
Unit Operations of Chemical Engineering
, 7th ed. (
McGraw-Hill Education
,
New York
,
2008
).
19.
H.-L.
Li
,
Y.-L.
Ju
,
L.-J.
Li
, and
D.-G.
Xu
, “
Separation of isotope 13C using high-performance structured packing
,”
Chem. Eng. Process.
49
,
255
261
(
2010
).
20.
J.
Li
,
X.
Ji
,
W.
Haxton
, and
J. S. Y.
Wang
, “
The second-phase development of the China Jinping Underground Laboratory
,”
Phys. Procedia
61
,
576
585
(
2015
).
21.
A.
Dobi
,
C.
Davis
,
C.
Hall
,
T.
Langford
,
S.
Slutsky
, and
Y.-R.
Yen
, “
Detection of krypton in xenon for dark matter applications
,”
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
665
,
1
6
(
2011
).
22.
M.
Wu
, “
Control and measurement of krypton for the PandaX-4T experiment
,” in
The National Seminar on Low Level Radioactivity Measurements and Techniques
,
Jilin Province, China
,
2019
.
You do not currently have access to this content.