Funktionsweise des MAC-E-Filters
Das MAC-E-Filter-Prinzip (Magnetic Adiabatic Collimation with Electrostatic Filter) bildet die Grundlage der hochpräzisen Energieanalyse der Beta-Elektronen im KATRIN-Experiment. Es kombiniert die magnetisch adiabatische Kollimation mit einem elektrostatischen Hochpassfilter und ermöglicht dadurch eine Energieauflösung im eV-Bereich bei gleichzeitig hoher Akzeptanz.

Grundprinzip
Die Beta-Elektronen werden in der Quelle in einem starken Magnetfeld emittiert. Supraleitende Magnete am Ein- und Ausgang des Spektrometers erzeugen ein Magnetfeld, das die Elektronen durch den Spektrometertank führt. Auf dem Weg zur Mitte des Spektrometers nimmt die Magnetfeldstärke um mehrere Größenordnungen ab und erreicht in der sogenannten Analyseebene ihr Minimum B_min.  Gleichzeitig liegt dort das maximale elektrische Retardierungspotential U_max  an.
Durch die Abnahme des Magnetfeldes wird, unter Erhaltung der Gesamtenergie, die zyklotronartige Bewegung der Elektronen um die Feldlinien zunehmend in eine longitudinale Bewegung, also entlang der Feldlinien, umgewandelt, ohne dass die Elektronen Energie verlieren. Dieser Prozess wird als magnetisch adiabatische Kollimation bezeichnet. Voraussetzung hierfür ist, dass die Magnetfeldgradienten, also die Änderung der Magnetfeldstärke pro Längeneinheit, hinreichend klein sind, sodass der Teilchentransport adiabatisch und damit energieerhaltend erfolgt.

Energieanalyse und Filterbedingung
Die kinetische Energie der Elektronen lässt sich in eine zur Magnetfeldrichtung parallele und eine orthogonale Komponente zerlegen. Nur Elektronen, deren longitudinale Energie in der Analyseebene größer ist als die durch das Retardierungspotential definierte Schwellenenergie, können das Spektrometer passieren:

E_||,Ana >qU_max

Anschaulich lässt sich dies mit einem Minigolfball vergleichen: Besitzt der Ball genügend Energie, kann er den Hügel überwinden; ist seine Energie zu gering, rollt er zum Ausgangspunkt zurück.
Der MAC-E-Filter wirkt somit als Hochpassfilter für Elektronen. Elektronen mit zu geringer Energie werden reflektiert, während hochenergetische Elektronen den Detektor erreichen.

Energieauflösung
Die endliche Energieauflösung des MAC-E-Filters ergibt sich aus dem Verhältnis des minimalen zum maximalen Magnetfeld:

ΔE/E =B_min/ B_max

Für das KATRIN-Hauptspektrometer ergibt sich daraus eine Energieauflösung von etwa 1 eV bei 18,6 keV. Die Energieauflösung beschreibt dabei, mit welcher Genauigkeit die kinetische Energie der detektierten Elektronen bestimmt werden kann.

Akzeptanzwinkel
Der maximale Akzeptanzwinkel der Elektronen relativ zur Magnetfeldrichtung hängt trigonometrisch von dem Magnetfeldes an der Quelle und dem maximalen Magnetfeld entlang der Strahllinie zwischen Quelle und Detektor ab.
Im KATRIN-Experiment beträgt dieser Winkel etwa 51°.  Elektronen, die beim radioaktiven Betazerfall in der Quelle mit einem größeren Winkel als 51° zur Strahllinie emittiert werden, können den Detektor nicht erreichen und werden daher nicht detektiert. Solche Elektronen können zur Entstehung von Untergrund beitragen und sind daher unerwünscht.

Der Spektrometer-Abschnitt umfasst drei elektrostatische Spektrometer (MAC-E-Filter):

• Das Vor-Spektrometer (PS, Pre-Spectrometer)  sollte ursprünglich die Elektronen auf ihrem Weg zum Hauptspektrometer vorfiltern, sodass nur Elektronen mit einem für KATRIN relevanten Energiebereich das Hauptspektrometer erreichen. Aufgrund verschiedener physikalischer Effekte wird diese Filterfunktion des Vorspektrometers heute jedoch nicht mehr genutzt.
• Das Hauptspektrometer (MS, Main Spectrometer) misst die kinetische Energie der Elektronen, die das Vorspektrometer passieren, insbesondere jene mit Energien nahe dem Endpunkt des Beta-Spektrums.
• Das Monitorspektrometer (MoS, Monitor Spectrometer) wurde zu Beginn der Messphase des KATRIN-Experiments zur Kalibrierung und zur Überwachung der Spannungsstabilität eingesetzt.

Vorspektrometer

Auf ihrem Weg von der Quelle zum Detektor müssen die Elektronen zunächst das Vorspektrometer passieren, bevor sie in das Herzstück des KATRIN Experiments, das Hauptspektrometer, gelangen. Das Vorspektrometer (PS) ist 3,38 m lang und hat einen Durchmesser von 1,70 m. Pro Sekunde erreichen etwa 1010 Elektronen das Vorspektrometer.
Wie das Hauptspektrometer kann auch das Vorspektrometer nach dem MAC-E-Filter-Prinzip betrieben werden. Es wirkt dabei wie ein Hochpassfilter: Nur Elektronen mit ausreichend hoher Energie dürfen passieren. Elektronen mit zu niedriger Energie können bereits im Vorspektrometer aussortiert werden.

Früher wurde das Vorspektrometer mit einer Spannung von −10 kV betrieben. Dadurch wurden alle Elektronen mit einer Energie unterhalb von 10 keV zurückgehalten und gelangten nicht in das Hauptspektrometer. Diese Elektronen tragen nicht zur Messung bei und sind sogar störend, da sie Sekundärelektronen erzeugen können. Diese Sekundärelektronen erhöhen den Untergrund und verschlechtern die Messqualität.
Beim gemeinsamen Betrieb von Vorspektrometer (−10 kV) und Hauptspektrometer (−18 kV) kann sich zwischen beiden Spektrometern eine sogenannte Penning-Falle bilden. Sie entsteht durch das Zusammenspiel der elektrischen Felder und des Magnetfeldes. In dieser Falle können Elektronen über lange Zeit gespeichert werden. Bei zu hohem Druck können diese gespeicherten Elektronen zu Penning-Entladungen führen, die einen starken Untergrund verursachen.

Oberhalb eines Drucks von etwa 10^-11mbar ist ein stabiler Betrieb über mehrere Stunden möglich. Zusätzlich wird regelmäßig ein Draht durch den Bereich zwischen PS und MS bewegt, um gespeicherte Elektronen zu entfernen und Entladungen zu verhindern.

Langzeitmessungen zeigten jedoch, dass die Penning-Falle auch ohne direkte Entladungen einen störenden Untergrund erzeugen kann. Dieser tritt oft erst nach mehreren Minuten und unregelmäßig auf und ist schwer zu beschreiben. Aus diesem Grund wurde der Betrieb des Vorspektrometers geändert. Heute wird das PS überwiegend auf 0 V betrieben. Nur eine einzelne Elektrode liegt bei etwa −100 V. Diese Elektrode zieht Ionen aus dem magnetischen Flussschlauch ab, die sonst in das Hauptspektrometer gelangen würden und dort zusätzlichen Untergrund verursachen könnten. Der dabei entstehende Ionenstrom wird ständig überwacht. Überschreitet er einen festgelegten Grenzwert, ist dies ein Hinweis darauf, dass Ionen, insbesondere Tritiumionen, das Tritium-Laborsystem (TLK) verlassen. In diesem Fall wird automatisch ein Sicherheitssystem aktiviert, das das Ventil zwischen dem Vorspektrometer und der kryogenen Pumpsektion (CPS) schließt. Dadurch wird verhindert, dass Tritium in die nachfolgenden Spektrometer gelangt.