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 .
Mecanismo
Los electrones libres en el vacío pueden manipularse mediante campos eléctricos y magnéticos para formar un haz fino. Cuando el rayo choca con la 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.
Aplicaciones
El rápido aumento de temperatura en el lugar del impacto puede derretir rápidamente un material objetivo. En condiciones de trabajo extremas, el rápido aumento de temperatura puede incluso provocar la evaporación, lo que hace que un haz de electrones sea 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 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, incluido el cristal líquido. películas, entre muchas otras aplicaciones.
Hornos
En el vacío , el haz de electrones proporciona una fuente de calor que puede derretir o modificar cualquier material. [2] Esta fuente de calor o transformación de fase es absolutamente estéril debido al vacío y la formación de metal solidificado alrededor de las paredes del crisol de cobre frío. Esto asegura que los materiales más puros puedan producirse y refinarse 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.
Soldadura
Desde el comienzo de la soldadura por haz de electrones a escala industrial a fines de la década de 1950, se han diseñado y se utilizan innumerables soldadores de haz de electrones en todo el mundo. Estos soldadores cuentan con cámaras de vacío de trabajo que van desde unos pocos litros hasta cientos de metros cúbicos, con pistolas de electrones que llevan una potencia de hasta 100 kW.
Tratamientos superficiales
Los soldadores modernos de haz de electrones generalmente están diseñados con un sistema de deflexión controlado por computadora que puede atravesar el haz de manera rápida y precisa sobre un área seleccionada de la pieza de trabajo. Gracias al calentamiento rápido, solo 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 la 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.
Fabricación aditiva
La fabricación aditiva es el proceso de unir materiales para fabricar objetos a partir de datos de modelos 3D, generalmente fundiendo material en polvo capa sobre 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 disponible comercialmente para lograr piezas con forma casi neta.
Producción de polvo metálico
El metal de la palanquilla de origen se funde mediante un haz de electrones mientras se hace girar vigorosamente. El polvo se produce cuando el metal se enfría cuando sale volando de la barra de metal.
Mecanizado
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. La sección transversal del haz se enfoca y dirige hacia la pieza de trabajo, creando 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 de la superficie 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.
Litografía
Una litografía electrónica se produce mediante un haz de electrones muy finamente enfocado, que crea microestructuras en la capa protectora que posteriormente se pueden transferir al material del sustrato , a menudo mediante grabado. Fue desarrollado originalmente para la fabricación de circuitos integrados y también se utiliza para crear arquitecturas de nanotecnología . Las litografías de electrones 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.
Producción de células solares por deposición física de vapor
La deposición física de vapor tiene lugar en el vacío y produce una película delgada de células solares al depositar capas delgadas de metales sobre una estructura de respaldo. 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 electromagnéticos 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 3500 grados centígrados. 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.
Curación
El curado por haz de electrones es un método para curar pinturas y tintas sin la necesidad de un solvente tradicional. El curado por haz de electrones produce un acabado similar al de los procesos tradicionales de evaporación de solvente, pero logra ese acabado a través de un proceso de polimerización.
Microscopios electronicos
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).
Radioterapia médica
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 giratorio para que no se derrita; el disco se hace girar en vacío mediante un motor magnético. Los rayos X también se pueden usar para matar tejido canceroso. La máquina Therac25 es un ejemplo infame de esto.
La fabricación aditiva es el proceso de unir materiales para hacer objetos fr
Referencias
Bibliografía
- Schultz, H .: soldadura por haz de electrones, Abington Publishing
- Von Dobeneck, D .: Soldadura por haz de electrones: ejemplos de 30 años de experiencia en taller
- elfik.isibrno.cz/en: Soldadura por haz de electrones (en checo y / o inglés)
- Visser, A .: Werkstoffabtrag durch Elektronen-und Photonenstrahlen; Verlag
, Blaue Reihe, Heft 104 - Klein, J., Ed., Soldadura: Procesos, Calidad y Aplicaciones, Nova Science Publishers, Inc. , NY, Capítulos 1 y 2, págs. 1-166
- Nemtanu, MR, Brasoveanu, M., Ed., Aspectos prácticos y aplicaciones de la irradiación por haz de electrones, Transworld Research Network, 37/661 (2), Fort PO, Trivandrum-695 023, Kerala, India