Desde mediados del siglo XX, la tecnología de haz 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 manipularse 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 puede controlarse electrónicamente con precisión, lo que conlleva muchas ventajas.
El rápido aumento de temperatura en el lugar del impacto puede fundir rápidamente el material de destino. En condiciones de trabajo extremas, el rápido aumento de temperatura puede incluso provocar la evaporación, lo que convierte al haz de electrones en una herramienta excelente en aplicaciones de calentamiento, como la soldadura. La tecnología de haz de electrones se utiliza en el tratamiento de aislamiento de cables, en la litografía electrónica de imágenes submicrométricas y nanodimensionales, en microelectrónica para el curado por haz de electrones de la impresión en color [1] y para la fabricación y modificación de polímeros, incluidas películas de cristal líquido, 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 fase es absolutamente estéril debido al vacío y al escurrimiento 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 de 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, existen en los países industrializados grandes hornos con capacidad medida en toneladas métricas y potencia del haz de electrones en megavatios.
Desde que a finales de los años 50 se empezó a utilizar la soldadura por haz de electrones a escala industrial, se han diseñado y utilizado en todo el mundo innumerables soldadores por haz de electrones. Estos soldadores disponen de cámaras de vacío de unos pocos litros hasta cientos de metros cúbicos y cañones de electrones con una potencia de hasta 100 kW.
Los modernos soldadores por haz de electrones suelen estar diseñados con un sistema de deflexión controlado por ordenador que puede atravesar el haz de forma rápida y precisa sobre un área seleccionada de la pieza de trabajo. Gracias al rápido calentamiento, solo se calienta una fina capa superficial del material. Las aplicaciones incluyen endurecimiento , recocido , templado , texturizado y pulido (con gas argón presente). Si se utiliza el haz de electrones para cortar una depresión poco profunda en la superficie, al moverlo repetidamente de forma horizontal a lo largo de la depresión a alta velocidad se crea una pequeña pila de metal fundido expulsado. Con la repetición, se pueden crear estructuras de picos 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 sobre capa. La fusión en vacío mediante un haz de electrones de barrido controlado por computadora es sumamente precisa. La fabricación directa con haz de electrones (DM) es el primer medio comercial, a gran escala y totalmente programable para lograr piezas con una forma casi final.
El metal de la palanquilla original se funde mediante un haz de electrones mientras se lo hace girar vigorosamente. Se produce polvo a medida que 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. A continuación, la sección transversal del haz se enfoca y se dirige hacia la pieza de trabajo, lo que genera calor y vaporiza 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 altos costos 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 resina que posteriormente se pueden transferir al material del sustrato , a menudo mediante grabado. Se desarrolló originalmente para la fabricación de circuitos integrados y también se utiliza para crear arquitecturas nanotecnológicas . 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 , la producción de bajo volumen de componentes semiconductores y las actividades de investigación y desarrollo.
La deposición física de vapor se lleva a cabo en el vacío y produce una película delgada de células solares depositando capas delgadas de metales sobre una estructura de soporte. La evaporación por haz de electrones utiliza la 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 la superficie del material o cerca de ella. El calentamiento resultante hace que el material se funda y luego se evapore. Se pueden alcanzar temperaturas superiores a los 3500 grados Celsius. El vapor de la fuente se condensa sobre un sustrato, creando una película delgada 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 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 se logra mediante un proceso de polimerización. El procesamiento por haz de electrones también se utiliza para reticular polímeros y hacerlos más resistentes a las tensiones térmicas, mecánicas o químicas.
El procesamiento con haz de electrones se ha utilizado para la esterilización de productos médicos y materiales de envasado aséptico para alimentos, así como para la desinfestación, 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 rayos X que inciden sobre el metal producen rayos X. Estos rayos pueden ser de diagnóstico, por ejemplo, imágenes dentales o de extremidades. A menudo, en estos tubos de rayos X, el metal es un disco giratorio para que no se derrita; el disco gira en el vacío mediante un motor magnético. Los rayos X también se pueden utilizar para matar tejido canceroso. La máquina Therac-25 es un ejemplo infame de esto.