Desde mediados del siglo XX, la tecnología de haces de electrones ha proporcionado la base para una variedad de aplicaciones novedosas y especializadas en la fabricación de semiconductores , sistemas microelectromecánicos , sistemas nanoelectromecánicos y microscopía .
Los electrones libres en el vacío pueden ser manipulados mediante campos eléctricos y magnéticos para formar un haz fino. Cuando el haz choca con materia en estado sólido, los electrones se convierten en calor o energía cinética . Esta concentración de energía en un pequeño volumen de materia se puede controlar electrónicamente con precisión, lo que aporta muchas ventajas.
El rápido aumento de temperatura en el lugar del impacto puede derretir rápidamente el material objetivo. En condiciones de trabajo extremas, el rápido aumento de temperatura puede incluso provocar evaporación, lo que convierte al haz de electrones en una herramienta excelente en aplicaciones de calefacción, como la soldadura. La tecnología de haz de electrones se utiliza en el tratamiento de aislamiento de cables, en litografía electrónica de imágenes submicrométricas y nanodimensionales, en microelectrónica para el curado por haz de electrones de impresiones en color [1] y para la fabricación y modificación de polímeros, incluidos los de cristal líquido. películas, entre muchas otras aplicaciones.
En el vacío , el haz de electrones proporciona una fuente de calor que puede fundir o modificar cualquier material. [2] Esta fuente de calor o transformación de fases es absolutamente estéril debido al vacío y al remolino del metal solidificado alrededor de las paredes frías del crisol de cobre. Esto garantiza que se puedan producir y refinar los materiales más puros en hornos de vacío por haz de electrones. Los metales raros y refractarios se pueden producir o refinar en hornos de vacío de pequeño volumen. Para la producción en masa de aceros, en los países industrializados existen grandes hornos con capacidad medida en toneladas métricas y potencia de haz de electrones en megavatios.
Desde el inicio de la soldadura por haz de electrones a escala industrial a finales de los años 50, se han diseñado y utilizados en todo el mundo innumerables soldadoras por haz de electrones. Estos soldadores cuentan con cámaras de vacío que van desde unos pocos litros hasta cientos de metros cúbicos, con cañones de electrones con una potencia de hasta 100 kW.
Los soldadores modernos por haz de electrones suelen estar diseñados con un sistema de deflexión controlado por computadora que puede atravesar el haz con rapidez y precisión sobre un área seleccionada de la pieza de trabajo. Gracias al rápido calentamiento, sólo se calienta una fina capa superficial del material. Las aplicaciones incluyen endurecimiento , recocido , revenido , texturizado y pulido (con gas argón presente). Si el haz de electrones se utiliza para cortar un canal poco profundo en la superficie, moverlo repetidamente horizontalmente a lo largo del canal a altas velocidades crea una pequeña pila de metal fundido expulsado. Con repetición se pueden crear estructuras de púas de hasta un milímetro de altura. Estas estructuras pueden ayudar a la unión entre diferentes materiales y modificar la rugosidad de la superficie del metal.
La fabricación aditiva es el proceso de unir materiales para crear objetos a partir de datos de modelos 3D, generalmente fundiendo material en polvo capa tras capa. La fusión en el vacío mediante el uso de un haz de electrones de barrido controlado por computadora es muy precisa. La fabricación directa por haz de electrones (DM) es el primer medio totalmente programable, a gran escala y disponible comercialmente para lograr piezas con forma casi neta.
El metal en bruto original se funde mediante un haz de electrones mientras se hace girar vigorosamente. El polvo se produce cuando el metal se enfría al desprenderse de la barra de metal.
El mecanizado por haz de electrones es un proceso en el que los electrones de alta velocidad se concentran en un haz estrecho con una densidad de potencia plana muy alta. Luego, la sección transversal de la viga se enfoca y se dirige hacia la pieza de trabajo, generando calor y vaporizando el material. El mecanizado por haz de electrones se puede utilizar para cortar o perforar con precisión una amplia variedad de metales. El acabado superficial resultante es mejor y el ancho de corte es más estrecho que el que se puede producir con otros procesos de corte térmico. Sin embargo, debido a los elevados costes de los equipos, el uso de esta tecnología se limita a productos de alto valor.
Una litografía electrónica se produce mediante un haz de electrones muy finamente enfocado, que crea microestructuras en la resistencia que posteriormente pueden transferirse al material del sustrato , a menudo mediante grabado. Fue desarrollado originalmente para fabricar circuitos integrados y también se utiliza para crear arquitecturas de nanotecnología . Las litografías electrónicas utilizan haces de electrones con diámetros que van desde dos nanómetros hasta cientos de nanómetros. La litografía electrónica también se utiliza para producir hologramas generados por computadora (CGH). La litografía electrónica sin máscara ha encontrado un amplio uso en la fabricación de fotomáscaras para fotolitografía , producción de bajo volumen de componentes semiconductores y actividades de investigación y desarrollo.
La deposición física de vapor tiene lugar en el vacío y produce una fina película de células solares al depositar finas capas de metales sobre una estructura de soporte. La evaporación por haz de electrones utiliza emisión termoiónica para crear una corriente de electrones que son acelerados por una disposición de cátodo y ánodo de alto voltaje. Los campos electrostáticos y magnéticos enfocan y dirigen los electrones para que golpeen un objetivo. La energía cinética se transforma en energía térmica en o cerca de la superficie del material. El calentamiento resultante hace que el material se derrita y luego se evapore. Se pueden alcanzar temperaturas superiores a los 3.500 grados centígrados. El vapor de la fuente se condensa sobre un sustrato, creando una fina película de material de alta pureza. Se pueden lograr espesores de película desde una sola capa atómica hasta muchos micrómetros. Esta técnica se utiliza en microelectrónica , óptica e investigación de materiales, y para producir células solares y muchos otros productos.
El curado por haz de electrones es un método para curar pinturas y tintas sin la necesidad de utilizar disolventes tradicionales. El curado por haz de electrones produce un acabado similar al de los procesos tradicionales de evaporación de disolventes, pero logra ese acabado mediante un proceso de polimerización. El procesamiento por haz de electrones también se utiliza para reticular polímeros y hacerlos más resistentes a tensiones térmicas, mecánicas o químicas.
El procesamiento por haz de electrones se ha utilizado para la esterilización de productos médicos y materiales de envasado aséptico para alimentos, así como para la desinfestación y la eliminación de insectos vivos de cereales, tabaco y otros cultivos a granel sin procesar.
Un microscopio electrónico utiliza un haz controlado de electrones para iluminar una muestra y producir una imagen ampliada. Dos tipos comunes son el microscopio electrónico de barrido (SEM) y el microscopio electrónico de transmisión (TEM).
Los haces de electrones que inciden sobre el metal producen rayos X. Las radiografías pueden ser diagnósticas, por ejemplo, imágenes dentales o de extremidades. A menudo, en estos tubos de rayos X el metal es un disco que gira para que no se derrita; el disco gira en vacío mediante un motor magnético. Los rayos X también pueden usarse para matar tejido canceroso. La máquina Therac-25 es un ejemplo notorio de esto.