IX семинар памяти В.П.Саранцева 1 Project FAMA: Modernization of channels for surface modification of materials V. Alexandrov, S. Bogomolov, N. Kazarinov, V. Shevtsov JINR, Dubna, , Russia P.Beličev, N. Nešković, A.Dobrosavljević Vinča Institute of Nuclear Sciences, P. O. Box 522, Belgrade, Serbia

IX семинар памяти В.П.Саранцева 2 Project FAMA is related to the construction of the low energy part of TESLA Accelerator Installation (TAI) in the Vinča Institute of Nuclear Sciences (Belgrade, Serbia) and is intended for modification and analysis of materials by ion beams. FAMA includes 3 machines and 6 experimental channels. The machines are: GHz ECR heavy ion source – the M1 machine, - a plasma source of light ions – the M2 machine, - a small isochronous cyclotron – the M3 machine.

IX семинар памяти В.П.Саранцева 3 M2M2 A scheme of the FAMA : C1 – the channel for analysis of ion beams and irradiation, C2 – the channel for surface modification of materials, mVINIS 14.5 GHz ECRIS pVINIS Multicusp ECRIS C3 – the channel for ion implantation, and C4 – the channel for deeper modification of materials.

IX семинар памяти В.П.Саранцева 4 A three-dimensional view of the M1 machine 14.5 GHz ECRIS extraction electrode (puller)

IX семинар памяти В.П.Саранцева 5 A schematic view of the M1 channel element eff.length on В/В о (mm) Aperture w h (mm) B (T) G QL (T/m) M1-SL M1-QL M1-AM1 *) *) Eff.radius – mm, geometrical radius – 400 mm, bending angle 90 о, entrance angle 0 о, exit angle 26.6 о, Rogowski type. Geometry and maximum values of fields and gradient

IX семинар памяти В.П.Саранцева 6 A three-dimensional view of the C1 channel

IX семинар памяти В.П.Саранцева 7 A schematic view of the C1 channel C1-SM C1-SL M1-AM C1 Channel target element eff.length, mm Inner diameter, mm Good field region, mm B, T C1-SM C1-SL Geometry and maximum values of fields C1-BS

IX семинар памяти В.П.Саранцева 8 Some of the ion beams produced with the M1 machine for C1 & C2 Ion species Ion energy (keV) Ion current (e A) 4 He He N Ar Kr Xe for C2 Ion species Ion energy (keV) Ion current (e A) 14 N N Ar Ar for C2 Ion species Ion energy (keV) Ion current (e A) 136 Xe Pb Pb Xe

IX семинар памяти В.П.Саранцева 9 Some of the ion beams spectra Kripton beam spectrum 136 Xe Xe 23+

IX семинар памяти В.П.Саранцева 10 Initial beam parameters Initial particle distribution - VK emittance, mm mrad 250 α0 radius, mm 5 XX`-planeXY-plane

IX семинар памяти В.П.Саранцева 11 Particle trajectories and 14 N 4+ beam envelope (C1) puller М1-АМ1 C1-SL M1-SL Particle trajectories and 14 N 4+ beam envelope (C1)

IX семинар памяти В.П.Саранцева 12 Beam envelopes (C1) 4 He Ar 2+

IX семинар памяти В.П.Саранцева 13 Xenon beam q=19q=19 q=18 q=19q=19 q=20 On target Inside C1-DC XX`-plane Beam spot Beams with А > 100 need in collimation

IX семинар памяти В.П.Саранцева 14 Efficiency of transportation (C1) М1 exit Parameters of elements On target Ion species Ion energy (keV) Ion current (e A) B M1-SL (T) B C1-SL (T) G M1-QL (Т/m) Ion current (e A) Effici- ency (%) x MF / y MF (mm) 4 He / / 14 4 He / / N / / Ar / / Kr / / Xe / / 20

IX семинар памяти В.П.Саранцева 15 CONCLUSION on M1-C1 channel Losses in magnet A1-M1 and in channel C1 for all beams, except argon, possible avoid. Practically there are losses for all types of beams at the beginning of M1 channel (in region of solenoid M1-SL). At increase in current of beam and reduction of its energy these losses grow (helium and 14 N 4+ at energy 60 Kev) and there are losses in puller. For elements with A

IX семинар памяти В.П.Саранцева 16 M1-C2 channel (heavy ions) C2-QT12 C2-QT13 C2-SL M1-AM1

IX семинар памяти В.П.Саранцева 17 M1-C2 channel (heavy ions) Analysing magnet C2-MA Radius of deflection 600 mm Pole face rotation angles26.6 о Pole edge profile Rogowski type Scanners L eff, mm Aperture w h, mm C2-CS C2-CS C2-SL solenoid Length with screen, mm 196 Inner diameter, mm 110 External diameter with screen, mm 384 Thickness of screen, mm 20 Effective length (В/В о ) 2, mm131 B, T0.7 Electrostatic triplets length (mm) V Q (kV) QT QT QT QT QT QT B, T.0138

IX семинар памяти В.П.Саранцева 18 M1-C2 channel (heavy ions) Particle trajectories of krypton beam and apertures. Interface of MCIB04 code

IX семинар памяти В.П.Саранцева 19 C2 channel (heavy ions) RMS 86 Kr 12+, 240 keV beam envelopes. Interface of OPTIMA code

IX семинар памяти В.П.Саранцева 20 M1-C2 channel. Efficiency of transportation АМ1 exitС2-МА entryС2-МА exit Energy (keV) Ion current (e A) Eff-cy (%) Ion current (e A) Eff-cy (%) Ion current (e A) Eff-cy (%) Ion current (e A) 14 N N Kr Kr He He He He Xe Pb

IX семинар памяти В.П.Саранцева 21 M1-C2 channel. CONCLUSION The loss in the triplet QT1 will exist under any adjustment and any currents of bunch. To reduce these losses it needs to replace the first quadrupole QT11 in the triplet QT1 on solenoid. Efficiency of transportation in channel C2 is in interval %. Main losses occur in channel M1. On example of 4 He + it is shown that efficiency of transportation possible to enlarge for smaller initial beam currents.

IX семинар памяти В.П.Саранцева 22 M2-C2 channel. Light ions Multicusp ECRIS pVINIS Ion species E [keV] I tot [mA] (90%) [ mm mrad] I spice [mA] H H2+H H3+H D D2+D D3+D I tot [mA] I spice [mA]

IX семинар памяти В.П.Саранцева 23 M2-C2 channel. Light ions: gradients and voltages of elements of channel Ions G QD1 (T/m) G QD2 (T/m) B MА (T) V QT21 (kV) V QT22 (kV) V QT23 (kV) V QT31 (kV) V QT32 (kV) V QT33 (kV) H H2+H H3+H D D2+D D3+D

IX семинар памяти В.П.Саранцева 24 M2-C2 channel. Light ions: phase space of 2 H + on target

IX семинар памяти В.П.Саранцева 25 M2-C2 channel. Light ions: passing of fractions along channel

IX семинар памяти В.П.Саранцева 26 M2-C2 channel. Light ions: CONCLUSION Possible provide 100% transportation through channel M2-C2 if initial beam current to reduce (in contrast with nominal) before values, provided in Table. For light ions it is required to raise the voltages on triplet QT2 before 2 kV.

IX семинар памяти В.П.Саранцева 27 CONCLUSION Потерь в магните М1-АМ1 и в канале С1 для всех пучков можно избежать. Для всех типов пучков есть потери в начале канала M1. При увеличении тока пучка и уменьшении его энергии потери растут. Для элементов с А < 100 в районе мишени остается только основная зарядность, посторонние теряются. Для более тяжелых элементов требуется диафрагмирование пучка. Эффективность транспортировки в канале С2 находится в интервале %. Ее можно увеличить для меньших начальных токов пучка. В канале М2-С2 можно обеспечить 100% токопрохождение для уменьшенных начальных токов пучков. Для легких ионов требуется увеличить до 2 кВ напряжения на квадруполях C2-QT21 и C2-QT22.

IX семинар памяти В.П.Саранцева 28 THANK YOU