中微子是一种类似于电子的亚原子粒子，但不带电荷，质量非常小，曾被认为是零。作为宇宙中最丰富的粒子之一，中微子几乎不与其他物质相互作用，而且它们非常难以探测。尽管人们几十年来一直在努力发现它们的质量，但它仍然是一个谜。

        了解是什么赋予了中微子质量，可以帮助科学家们制定一个超越标准模型（目前是描述宇宙最基本组成部分的最佳理论）的宇宙解释。而且由于它们很高的丰度，确定中微子的质量将对理解当前的宇宙学模型和宇宙结构的形成非常重要。

实验设置

         位于德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的KATRIN实验的目的是在2025年前确定中微子的绝对质量。从最初的设计到一个完整的KATRIN平台，花了近16年的时间，才解决了测量中微子的微小质量影响所需的灵敏度。所开发的新技术包括一个氚源和一个用于测量释放电子能量的探测器（光谱仪）。

         KATRIN实验从生产一个气态氚的氚源开始，氚是氢的一种高度放射性同位素。当氚（3H）发生放射性衰变，变为氦同位素（3He）、β-电子（e-）和电子反中微子（ν̄）时，它也发射出一对由一个电子和一个中微子组成的粒子。这些对粒子被超导磁铁引导到探测器上进行测量。

         由于KATRIN的科学家不能直接测量中微子的质量，所以他们测量电子，根据电子的特性计算中微子的特性。由氚源发射的少数电子-中微子对中，电子几乎占据了所有的能量，只给中微子留下了极少量的能量（大多数电子-中微子对平均分担其能量）。这些罕见的电子-中微子对就是由KATRIN测量的，因为留给中微子的微弱能量必须包括其静止质量。一旦KATRIN准确地测量出电子的能量，科学家们就可以计算出中微子的能量，以及它的质量。

世界上最大的特高压容器

         主光谱仪是世界上最大的超高真空（UHV）容器，其剩余气压在10-11毫巴范围内（类似于月球表面），包含一个由23000根导线组成的双层电极系统，以保护内部体积不受带电粒子的影响。光谱仪在到达探测器之前选择能量最高的电子。

         本质上，KATRIN实验是一个在极高真空环境下的电子传输和氚保留系统，它在密封性和功能稳定性方面，对真空阀解决方案提出了全面的技术挑战。VAT研究部大客户经理费利克斯·乔丹概述了对真空阀解决方案的要求：“VAT团队为KATRIN开发的VAT阀门需要考虑到辐射水平、极端温度和超高真空环境。”

用于极端条件的真空阀

         KATRIN选择了专门为超高压环境设计的VAT系列10.8插板阀，以及为高辐射水平和高温的极超高压条件设计的VAT系列54.1全金属角阀。

        10.8 UHV插板采用VATLOCK密封技术，在闸门密封处没有任何摩擦，提供可靠的密封。阀门密封由耐高温的高性能弹性体制成，直接硫化在阀板上，以获得最大的耐久性和最佳的密封性能。VATLOCK的一个关键因素是它在关闭位置被自动锁死，消除了因气动故障而导致真空泄露的一系列风险。

          54.1 UHV全金属角阀消除了在辐射较高地区密封件过早老化的风险。这些阀门的特点是采用独特的硬对硬密封技术（无弹性体密封件）。由于采用了专利的FLEX VATRING密封，与传统的硬对硬密封设计相比，这些阀门可以进行更多的开关循环。这在很大程度上延长了维护周期的时间间隔，以至于KATRIN实验中的阀门几乎无需维护。由于其出色的密封性能，这些阀门还可用于极高的真空（XHV）的应用。

         “由于VAT清洁的真空流程，这些阀门在交付时已经过烘烤，以避免任何系统污染。”VAT研究部大客户经理费利克斯·乔丹补充道，“它们提供了物理上的中性特性，对复杂的实验环境产生零影响，这正是这种极端应用所需要的。我们对KATRIN将取得的成果感到兴奋。”

精选案例研究