Hispanopedia WikiDesde 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 .
Mecanismo
Los electrones libres en el vacío pueden ser manipulados mediante campos eléctricos y magnéticos para formar un haz fino. Al colisionar el haz con materia sólida, los electrones se convierten en calor o energía cinética . Esta concentración de energía en un pequeño volumen de materia puede controlarse con precisión mediante los campos, lo que ofrece numerosas ventajas.
Aplicaciones
Las técnicas de haz de electrones incluyen microanálisis por sonda electrónica , microscopía electrónica de transmisión , espectroscopía Auger y microscopía electrónica de barrido . [ 1 ] El rápido aumento de temperatura en el punto de impacto puede fundir rápidamente un material objetivo. En condiciones de trabajo extremas, el rápido aumento de temperatura puede provocar evaporación, lo que convierte al haz de electrones en una excelente herramienta en aplicaciones de calentamiento, como soldadura o evaporación por haz de electrones . [ 2 ] La tecnología de haz de electrones se utiliza en el tratamiento de aislamiento de cables, en la litografía electrónica de imágenes submicrométricas y nanométricas, en microelectrónica para el curado por haz de electrones de la impresión en color [ 3 ] y para la fabricación y modificación de polímeros, incluidas las películas de cristal líquido, entre muchas otras aplicaciones.
Hornos
En el vacío , el haz de electrones proporciona una fuente de calor que puede fundir o modificar cualquier material. [ 4 ] Esta fuente de calor o transformación de fase es absolutamente estéril debido al vacío y a la capa de metal solidificado alrededor de las paredes frías del crisol de cobre. Esto garantiza que los materiales más puros se puedan producir y refinar 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, en los países industrializados existen grandes hornos con una capacidad medida en toneladas métricas y una potencia de haz de electrones en megavatios.
Soldadura
Desde que la soldadura por haz de electrones se empezó a utilizar a escala industrial a finales de la década de 1950, se han diseñado y se utilizan innumerables soldadoras de haz de electrones en todo el mundo. Estas soldadoras cuentan con cámaras de vacío que varían desde unos pocos litros hasta cientos de metros cúbicos, y cañones de electrones con una potencia de hasta 100 kW.
Tratamientos de superficie
Las modernas soldadoras por haz de electrones suelen estar diseñadas con un sistema de deflexión controlado por ordenador que permite desplazar el haz de forma rápida y precisa sobre una zona seleccionada de la pieza. Gracias al rápido calentamiento, solo se calienta una fina capa superficial del material. Entre sus aplicaciones se incluyen el endurecimiento , el recocido , el revenido , el texturizado y el pulido (con presencia de gas argón). Si el haz de electrones se utiliza para crear una hendidura poco profunda en la superficie, al moverlo repetidamente de forma horizontal a alta velocidad a lo largo de dicha hendidura se genera una pequeña acumulación de metal fundido expulsado. Mediante la repetición, se pueden crear estructuras puntiagudas de hasta un milímetro de altura. Estas estructuras pueden facilitar la unión entre diferentes materiales y modificar la rugosidad superficial del metal.
Fabricación aditiva
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 a capa. La fusión en vacío mediante un haz de electrones de barrido controlado por computadora es de alta precisión. La fabricación directa por haz de electrones (DM) es el primer método comercialmente disponible, a gran escala y totalmente programable para obtener piezas con forma casi final .
Producción de polvo metálico
El metal base se funde mediante un haz de electrones mientras gira vigorosamente. Al enfriarse, el metal sale disparado de la barra metálica, y se produce polvo.
Mecanizado
El mecanizado por haz de electrones es un proceso en el que electrones de alta velocidad se concentran en un haz estrecho con una densidad de potencia planar muy alta. La sección transversal del haz se enfoca y se dirige hacia la pieza de trabajo, generando calor y vaporizando el material. El mecanizado por haz de electrones permite cortar o taladrar con precisión una amplia variedad de metales. El acabado superficial resultante es mejor y el ancho de corte es menor que el que se puede obtener con otros procesos de corte térmico. Sin embargo, debido al elevado coste de los equipos, el uso de esta tecnología se limita a productos de alto valor.
Litografía
La litografía electrónica se produce mediante un haz de electrones muy fino, que crea microestructuras en la resina fotosensible que posteriormente se transfieren al sustrato , a menudo mediante grabado. Originalmente se desarrolló para la fabricación de circuitos integrados y también se utiliza para crear arquitecturas nanotecnológicas . La litografía electrónica utiliza haces de electrones con diámetros que van desde dos nanómetros hasta cientos de nanómetros. También se utiliza para producir hologramas generados por ordenador (CGH). La litografía electrónica sin máscara se ha extendido a la fabricación de fotomáscaras para fotolitografía , la producción en serie de componentes semiconductores y las actividades de investigación y desarrollo.
Producción de células solares mediante deposición física de vapor.
La deposición física de vapor se realiza en vacío y produce una película delgada de células solares mediante la deposición de capas delgadas de metales sobre una estructura de soporte. La evaporación por haz de electrones utiliza la emisión termoiónica para crear un flujo de electrones que son acelerados por un conjunto de cátodo y ánodo de alto voltaje. [ 2 ] Los campos electrostáticos y magnéticos enfocan y dirigen los electrones para que impacten en un objetivo. La energía cinética se transforma en energía térmica en la superficie del material o cerca de ella. El calentamiento resultante provoca 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.
Curado y esterilización
El curado por haz de electrones es un método para curar pinturas y tintas sin necesidad de disolventes tradicionales. Este proceso produce un acabado similar al de los procesos tradicionales de evaporación de disolventes, pero lo logra mediante un proceso de polimerización. El curado por haz de electrones también se utiliza para reticular polímeros y aumentar su resistencia a las tensiones térmicas, mecánicas o químicas.
El procesamiento mediante haz de electrones se ha utilizado para la esterilización de productos médicos y materiales de envasado aséptico para alimentos, así como para la desinfestación, es decir, la eliminación de insectos vivos de granos, tabaco y otros cultivos a granel sin procesar.
microscopios electrónicos
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). [ 5 ]
radioterapia médica
Los haces de electrones que inciden sobre el metal producen rayos X. Estos rayos X pueden tener fines diagnósticos, por ejemplo, para obtener imágenes dentales o de extremidades. A menudo, en estos tubos de rayos X, el metal se encuentra en un disco giratorio para evitar que se funda; el disco gira en el vacío mediante un motor magnético. Los rayos X también pueden utilizarse para destruir tejido canceroso. La máquina Therac-25 es un ejemplo tristemente célebre de esto.
Historia
La tecnología de haces de electrones deriva en última instancia del trabajo que condujo al descubrimiento del electrón en una época en que los haces de electrones se denominaban rayos catódicos . [ 6 ] Los avances clave en la tecnología para controlar los haces de electrones dieron como resultado el primer microscopio electrónico de barrido útil en 1952, creado por McMullan en el laboratorio de Charles Oatley en la Universidad de Cambridge . Una serie de estudiantes de doctorado en ese laboratorio continuaron mejorando la técnica. Thomas Eugene Everhart , trabajando principalmente en superficies de semiconductores, desarrolló la técnica de contraste de voltaje y el detector Everhart-Thornley . [ 7 ]
Referencias
- ↑ Loretto, Michael H. (1985). Análisis de materiales mediante haz de electrones . Dordrecht: Springer Netherlands. ISBN 978-94-009-5540-0.
- 1 2 Harsha, KS S, "Principios de la deposición física de vapor de películas delgadas", Elsevier, Gran Bretaña (2006), pág. 400.
- ↑ Aplicaciones de haces de electrones Archivado el 22/10/2016 en Wayback Machine .
- ↑ "Desarrollo de sistemas y tecnologías de haces de electrones" .
- ↑ Reimer, Ludwig (2013). Microscopía electrónica de transmisión : física de la formación de imágenes y microanálisis . Springer Berlin / Heidelberg. ISBN 978-3-662-13553-2OCLC 1066178493
- ↑ Haguenau, F.; Hawkes, PW; Hutchison, JL; Satiat–Jeunemaître, B.; Simon, GT; Williams, DB (abril de 2003). "Eventos clave en la historia de la microscopía electrónica" . Microscopía y microanálisis . 9 (2): 96–138 . doi : 10.1017/S1431927603030113 . ISSN 1431-9276 .
- ↑ Thong, John TL (1993). Electron Beam Testing Technology . Microdevices Ser. Nueva York, NY: Springer. ISBN 978-1-4899-1522-1.
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 talleres.
- elfik.isibrno.cz/en : Soldadura por haz de electrones (en checo y/o inglés)
- Visser, A.: Werkstoffabtrag durch Elektronen-und Photonenstrahlen; Verlag < Technische Rundschau>, Blaue Reihe, Heft 104
- Klein, J., Ed., Soldadura: Procesos, calidad y aplicaciones, Nova Science Publishers, Inc. , Nueva York, Capítulos 1 y 2, págs. 1–166
- Nemtanu, MR, Brasoveanu, M., Ed., Aspectos prácticos y aplicaciones de la irradiación con haz de electrones, Transworld Research Network, 37/661(2), Fort PO, Trivandrum-695 023, Kerala, India
- haz de electrones