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.

Das Hauptspektrometer des KATRIN-Experiments
Das Hauptspektrometer des KATRIN-Experiments ist das zentrale Analyseinstrument zur hochpräzisen Untersuchung des Endpunktbereichs des Tritium-β-Spektrums und damit entscheidend für die Bestimmung der Neutrinomasse. Es arbeitet nach dem Prinzip des MAC-E-Filters (Magnetic Adiabatic Collimation with an Electrostatic Filter) und muss höchste Anforderungen an Vakuum, elektromagnetische Felder und mechanische Stabilität erfüllen.

Mechanischer Aufbau und Vakuumsystem
Das Hauptspektrometer besteht aus einem zylindrischen Edelstahlbehälter mit einer Gesamtlänge von 23,28 m und einem maximalen Innendurchmesser von 9,80 m. Das Innenvolumen beträgt etwa 1 400 m³. Der Tank wurde aus Edelstahl gefertigt, der aufgrund seiner mechanischen Festigkeit sowie seiner günstigen magnetischen Eigenschaften ausgewählt wurde. Die Wandstärke variiert zwischen 25 und 32 mm, das Gesamtgewicht liegt bei etwa 200 Tonnen.
Eine besondere technologische Herausforderung stellt das erforderliche Ultrahochvakuum dar: Im Betrieb wird ein Druck von unter 10⁻¹¹ mbar erreicht. Um dies zu ermöglichen, ist das Spektrometer mit mehreren Pumpanschlüssen ausgestattet, die verschiedene Arten von Hochleistungspumpen aufnehmen. Zusätzlich wurde der Tank während der Inbetriebnahme auf Temperaturen bis zu 350 °C ausgeheizt, um Ausgasungen aus den Stahlwänden und damit Hintergrundsignale zu minimieren.

Elektrostatisches und magnetisches Design
Das Hauptspektrometer fungiert als elektrostatisches Hochpassfilter. Das Retardierungspotential wird variabel um den Endpunkt des Tritium-β-Spektrums eingestellt, um die Energieverteilung der Elektronen präzise abzutasten.
Für eine homogene Magnetfeldverteilung in der Analyseebene mit einer Feldstärke von etwa 0,3 mT ist das Hauptspektrometer von zwei Luftspulensystemen umgeben:

• Earth Magnetic Field Compensation System (EMCS):
  Dieses System kompensiert das Erdmagnetfeld, sodass der magnetische Flussschlauch im Inneren des Spektrometers symmetrisch bleibt. Zwei Paare von Dipolspulen sind axial um den Tank angeordnet.
• Low Field Correction System (LFCS):
  Das LFCS gleicht Streufelder der supraleitenden Magnete aus und sorgt für eine möglichst homogene Magnetfeldverteilung in der Analyseebene. Es besteht aus 14 Spulen mit jeweils 12,6 m Durchmesser, die zirkular um das Spektrometer angeordnet sind. Zusätzlich kompensiert es die axiale Komponente des Erdmagnetfeldes.

Inneres Elektrodensystem
Im Inneren des Hauptspektrometers befindet sich ein mehrlagiges Drahtelektrodensystem, das aus 248 modularen Drahtsegmenten und rund 23 400 Drähten besteht. Dieses System dient dazu, ein präzise definiertes elektrisches Bremspotential zu erzeugen.
Das innere Elektrodensystem liegt auf einem etwas negativeren Potential als der Tank. Dadurch wird verhindert, dass durch kosmische Myonen oder radioaktive Zerfälle erzeugte Sekundärelektronen in das Spektrometervolumen gelangen und Untergrundsignale verursachen.

Einbettung in das KATRIN-Spektrometersystem
Das Hauptspektrometer stellt das Herzstück der Energieanalyse im KATRIN-Experiment dar. Sein aufwendiges elektromagnetisches, mechanisches und vakuumtechnisches Design ist maßgeblich für die Erreichung der extremen Präzision, die für eine direkte Messung der Neutrinomasse erforderlich ist.

Die Reise des Hauptspektrometers
Eines der bekanntesten Bilder des KATRIN-Experiments zeigt den großen Spektrometertank auf dem Weg zum KIT Campus Nord in Eggenstein-Leopoldshafen.
Die Reise begann im etwa 300 km entfernten Deggendorf. Aufgrund zu niedriger Autobahnbrücken und anderer Hindernisse auf direktem Weg war jedoch ein Umweg von rund 8 800 km notwendig. Der Transport erfolgte über die Donau zum Schwarzen Meer. Dort wurde das Spektrometer auf ein Hochseeschiff umgeladen und über das Mittelmeer, durch die Straße von Gibraltar, über den Nordatlantik und die Nordsee bis nach Antwerpen transportiert. Von dort ging es per Rheinschiff weiter nach Eggenstein-Leopoldshafen.
Das letzte Stück vom Rhein bis zum Campus Nord war die wohl herausforderndste Etappe: Für den Tieflader mussten Bahnoberleitungen und Stromkabel demontiert sowie Leitplanken entfernt werden, um den Transport zu ermöglichen. Nach einer zweimonatigen Reise hob schließlich einer der größten Kräne Europas den Spektrometertank an seine endgültige Position.