Die General-Low-Mass-Strahllinie, kurz GLM, ist ein zentraler Bereich für die Sammlung und Implantation radioaktiver Isotope bei ISOLDE. Eine neu entwickelte Implantationskammer modernisiert diesen Prozess. Die Anlage besitzt zwei getrennt evakuierte Kammern: eine Implantationskammer und eine Schleusenkammer für den Probenwechsel. Über einen Ausgang können die Proben für weitere Experimente entnommen, oder direkt mit dem GLM-Ionenstrahl verbunden werden. Dazu gehören unter anderem ASCII sowie Systeme für die Mößbauer- und TDPAC-Spektroskopie. Die neue Kammer bildet damit eine flexible Schnittstelle zwischen der Erzeugung radioaktiver Isotope und ihrer materialwissenschaftlichen Nutzung.

• Yap, I.C.J., Grillo Munoz, J.F., Dorsival, A., Pohl, C., Lupascu, D.C., Hofsäss, H.C., Di Giulio, L., Nagl, M., Beltramello, O., Dang, T.T., Vetter, U. and Heiniger-Schell, J. (2026), ‘The new ion-implantation chamber in the General Low Mass (GLM) area of ISOLDE’, Hyperfine Interactions, vol. 247, article 18. https://doi.org/10.1007/s10751-025-02345-1.
• Yap, I.C.J. (2025), ‘The new ion-implantation chamber in the General Low Mass (GLM) area of ISOLDE’, poster presented at the ISOLDE Workshop and Users Meeting 2025, CERN, Geneva, 3 December 2025. Available at: https://indico.cern.ch/event/1576520/contributions/6762803/

MULTIPAC steht für „Multifunctional Perturbed Angular Correlations“. Die Anlage nutzt die zeitdifferenzielle gestörte Winkelkorrelation, kurz TDPAC. Dabei werden zwei aufeinanderfolgende Gammaquanten eines implantierten Sondenatoms registriert. Aus ihrem zeitlichen und räumlichen Zusammenhang lassen sich lokale elektrische und magnetische Felder im Material bestimmen.

MULTIPAC kombiniert diese atomare Messmethode mit Temperaturen von etwa 3 bis 375 Kelvin und äußeren Magnetfeldern von bis zu 8,5 Tesla. Das Detektorsystem besteht aus sechs schnellen LaBr₃(Ce)-Szintillationsdetektoren mit Silizium-Photomultipliern. Besonders interessant ist die Anlage für magnetische und multiferroische Materialien, in denen elektrische und magnetische Ordnungen miteinander gekoppelt sind.

Damit können Forschende verfolgen, wie sich die lokale Struktur und die makroskopischen Materialeigenschaften während eines Phasenübergangs verändern. MULTIPAC eröffnet so neue Möglichkeiten für die Entwicklung energieeffizienter Magnetwerkstoffe, Sensoren und funktionaler Materialien.

• Lupascu, D.C., Schell, J., Dang, T.T. and Schmuck, M. (2020), MULTIPAC-Setup for γ–γ Perturbed Angular Correlation Experiments in Multiferroic and Magnetic Materials, CERN-INTC-2020-011, INTC-I-212, CERN, Geneva. Available at: https://cds.cern.ch/record/2706092/files/INTC-I-212.pdf.
• Schell, J.H., Lupascu, D.C. et al. (2023), MULTIPAC-Setup for Perturbed Angular Correlation Experiments in Multiferroic and Magnetic Materials: Proof of Concept, CERN-INTC-2023-012, INTC-I-249, CERN, Geneva. Available at: https://cds.cern.ch/record/2845935/files/INTC-I-249.pdf.

PACBit ist die speziell für MULTIPAC und weitere TDPAC-Anlagen entwickelte Software- und Datenerfassungsplattform. Sie verarbeitet die großen Datenmengen der schnellen Detektoren im Streamingbetrieb auf einem zentralen Hochleistungsrechner.

Die Software glättet und korrigiert Signale, bestimmt präzise Zeitstempel und sucht nach zusammengehörigen Gammaquanten. Durch parallele Verarbeitung kann die charakteristische TDPAC-Funktion R(t) bereits während des Experiments dargestellt werden. Dies ermöglicht eine schnelle Qualitätskontrolle und reduziert den Aufwand der späteren Auswertung.

PACBit verbindet damit Detektortechnik, Hochleistungsrechnen und Materialwissenschaft. Zusammen mit MULTIPAC bildet das System die dritte Generation digitaler TDPAC-Spektrometer bei ISOLDE.

• Dörschel, B., Yap, I.C.J., Heiniger-Schell, J. and Lupascu, D.C. (2026), ‘MULTIPAC and PACBit – Third Generation of TDPAC Spectroscopy: Results of Project LOI249’, ISOLDE Newsletter 2026, p. 49, CERN, Geneva. Available at: https://isolde.web.cern.ch/sites/default/files/ISOLDE_Newsletter_2026_0.pdf

GLM, ASCII, eMIL/eMMA, MULTIPAC und PACBit bilden eine zusammenhängende experimentelle Kette: von der kontrollierten Implantation radioaktiver Sonden über Messungen unter definierten Temperatur- und Magnetfeldbedingungen bis zur automatisierten Datenanalyse.

Die Beteiligung der UDE verbindet materialwissenschaftliche Fragestellungen mit der einzigartigen Isotopenvielfalt und Infrastruktur des CERN. So entstehen neue Einblicke in Funktionsmaterialien – von atomar dünnen Schichten und Grenzflächen bis zu Magneten und Multiferroika für zukünftige Energie- und Informationstechnologien.

• Catherall, R. et al. (2017), ‘The ISOLDE facility’, Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, vol. 44, article 094002. https://doi.org/10.1088/1361-6471/aa7eba.
• Johnston, K., Schell, J., Correia, J.G., Deicher, M., Gunnlaugsson, H.P., Fenta, A.S., David-Bosne, E., Costa, A.R.G. and Lupascu, D.C. (2017), ‘The solid state physics programme at ISOLDE: Recent developments and perspectives’, Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, vol. 44, article 104001. https://doi.org/10.1088/1361-6471/aa81ac.
• Schell, J., Schaaf, P. and Lupascu, D.C. (2017), ‘Perturbed angular correlations at ISOLDE: A 40 years young technique’, AIP Advances, vol. 7, article 105017. https://doi.org/10.1063/1.4994249.
• CERN Solid State Physics Group (n.d.), ‘Solid State Physics at ISOLDE-CERN’, CERN. Available at: https://ssp.web.cern.ch/ (accessed 20 October 2026).
• CERN Solid State Physics Group (n.d.), ‘Collaborators’, CERN. Available at: https://ssp.web.cern.ch/collaborators/

ASCII steht für „Apparatus for Surface Physics and Interfaces at CERN’s Ion Implantation Chamber“. Die Ultrahochvakuum-Anlage wurde für die Untersuchung dünner Schichten, Oberflächen, Grenzflächen und zweidimensionaler Materialien von der Universität Göttingen entwickelt und wird derzeit vom Institut für Materialwissenschaft der UDE betreut.

Eine Besonderheit ist die Implantation mit extrem niedriger Energie. Der zunächst mit bis zu 60 Kiloelektronenvolt eintreffende Ionenstrahl kann bis auf wenige zehn Elektronenvolt abgebremst werden. Dadurch kommen die radioaktiven Sonden gezielt in den obersten Atomlagen, an einer Grenzfläche oder in einer gewünschten Tiefe zum Stillstand. Gleichzeitig entstehen sehr wenige Implantationsschäden.

Das ist beispielsweise für Graphen, andere zweidimensionale Materialien und multiferroische Dünnschichten wichtig. Im Ultrahochvakuum können Proben außerdem erwärmt oder gekühlt und unmittelbar nach der Implantation untersucht werden. Auch luftempfindliche Materialien und kurzlebige Isotope lassen sich auf diese Weise analysieren. Auch Quantum-Dot-Strukturen werden so zugänglich.

• van Stiphout, K., Lieske, L.-A., Auge, M. and Hofsäss, H. (2022), ‘Introducing ultra-low-energy ion implantation of radioactive isotopes at ISOLDE, CERN for (near-)surface characterisation: The ASPIC and ASCII vacuum chambers’, Crystals, vol. 12, no. 5, article 626. https://doi.org/10.3390/cryst12050626.
• Pereira de Lima, N. et al. (2024), ‘ASCII: The ultra-low-energy ion implantation of radioisotopes for surface characterisation at ISOLDE-CERN’, contribution presented at EURORIB 2024, Merelbeke, Belgium, 2–7 June 2024. Available at: https://indico.fys.kuleuven.be/event/85/contributions/2190/ (accessed 20 October 2026).
• CERN Experimental Physics Department (2025), ‘ASCII – The Apparatus for Surface Physics and Interfaces at CERN’s Ion Implantation Chamber’, contribution to the ISOLDE Workshop and Users Meeting 2025, CERN, Geneva, 3 December 2025. Available at: https://indico.cern.ch/event/1576520/contributions/6762872/

eMIL ist ein modulares Emissions-Mößbauer-Spektrometer, das ursprünglich an der Technischen Universität Ilmenau entwickelt wurde. Radioaktive Mößbauer-Sonden werden über die GLM-Anlage direkt in die Probe implantiert. Anschließend können ihre Hyperfeinwechselwirkungen untersucht werden. Der große Vorteil gegenüber üblichen Mössbauer-Experimenten ist, dass hier die Sondenionen implantiert werden. , dass das zu untersuchende Material also kein Eisen enthalten muss.

Das System ermöglicht Messungen über einen großen Temperaturbereich von etwa 100 bis 1.100 Kelvin. Je nach Konfiguration sind außerdem Untersuchungen unter Lichteinstrahlung, in Magnetfeldern, oder in verschiedenen kristallographischen Orientierungen möglich. Austauschbare Module erlauben einen schnellen Wechsel zwischen Experimenten mit Pulvern, Einkristallen sowie heißen oder kalten Proben.

eMMA – der „emission Mössbauer Magnetic Analyser“ – erweitert eMIL um magnetische Messmöglichkeiten. Ein veränderbares Magnetfeld, ein Probenmanipulator und ein Vibrationsmagnetometer verbinden zwei Betrachtungsebenen: Die Mößbauer-Spektroskopie zeigt die lokalen magnetischen Wechselwirkungen am Sondenatom, während die Magnetometrie gleichzeitig die makroskopischen Eigenschaften der gesamten Probe erfasst. Auf diese Weise lässt sich untersuchen, welche atomaren Mechanismen beispielsweise die Hysterese, Koerzitivfeldstärke oder Phasenübergänge neuartiger Magnetmaterialien bestimmen.

• Zyabkin, D.V., Vetter, U., Linderhof, F.M.A., Gunnlaugsson, H.P. and Schaaf, P. (2020), ‘eMIL: Advanced emission Mössbauer spectrometer for measurements in versatile conditions’, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, vol. 968, article 163973. https://doi.org/10.1016/j.nima.2020.163973.
• Schaaf, P., Zyabkin, D. and Schell, J. (2020), eMMA – Development of an Emission Mössbauer Apparatus at ISOLDE for the Investigation of Magnetic Materials, CERN-INTC-2020-008, INTC-I-211, CERN, Geneva. Available at: https://cds.cern.ch/record/2705975/files/INTC-I-211.pdf.
• Kern, A. et al. (2023), ‘Emission Mössbauer spectrometer from Ilmenau (eMIL): An update’, poster presented at the ISOLDE Workshop and Users Meeting 2023, CERN, Geneva, 29 November 2023. Available at: https://indico.cern.ch/event/1316940/contributions/5639671/

Aufbauend auf eine jahrzehntelange Infrastruktur sind obige Gerätesysteme in den letzten 10 Jahre über mehrere Projekte des BMFTR gefördert worden:

ISOPAC und ISOSOL dienten der kontinuierlichen Bereitstellung von Strahlzeiten für Usergruppen. In diesem Zeitraum wurde auch der Multifunktionsmessplatz MULTIPAC entwickelt, in dem bei Magnetfeldern bis zu 8,5 Tesla im Temperaturbereich von 5 K bis 400 K gemessen werden kann. Im Projekt PACBit wird eine vollständig neue Soft- und Messhardware entwickelt. Wesentliches Ziel ist die Vereinheitlichung aller Messplätze auf eine gemeinsame Plattform. Neben der Einbindung neuester Hochfrequenzelektronik wird die Auswertesoftware auf einer vereinheitlichten Theorie aufgebaut, die es auch erlaubt externe Magnetfelder einzubeziehen. Die in Göttingen entwickelten Halbleiter-Photodetektoren ermöglichen auch den Einsatz in hohen Magnetfeldern in MULTIPAC. Für zukünftige Nutzer wird eine nutzerfreundliche Benutzeroberfläche entwickelt. Das Projekt ISOLLINK hilft die von verschiedenen Arbeitsgruppen aus Deutschland entwickelten Apparaturen für eine breitere Nutzergruppe zu öffnen.