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Bouwers Drehanoden-Röntgenröhre
Coolidges Röhre von 1913 löste das elektrische Problem: Ein beheizter Glühfaden bestimmt den Strom, sodass die Bedienperson den Strahl endlich kontrolliert, statt mit einem Gasbeutel zu verhandeln. Was sie hinterließ, war ein **thermisches** Problem, und zwar ein brutales.
Nur etwa ein Prozent der Leistung, die Sie in eine Röntgenröhre stecken, verlässt sie als Röntgenstrahlung. Der Rest wird zu Wärme, die in einen Brennfleck von knapp zwei Millimetern Durchmesser geleitet wird. Bei 100 kV und 400 mA sind das grob 40 Kilowatt, die auf einer Fläche ankommen, die kleiner ist als ein Reiskorn – hunderte Male die Leistungsdichte einer Kochplatte, und zwar in Wolfram. Der Brennfleck erwärmt sich nicht allmählich. Er bekommt Krater, dann schmilzt er, und eine verkraterte Anode erzeugt für den Rest der Lebensdauer der Röhre einen unscharfen und asymmetrischen Strahl.
Albert Bouwers' Antwort bei Philips bestand darin, den Strahl nicht mehr zweimal an derselben Stelle auftreffen zu lassen. **US 1,933,005** "X-ray tube", angemeldet am 13. März 1930 und erteilt am 31. Oktober 1933: Das Target wird auf einer Scheibe montiert und gedreht, sodass der Strahl einen Ring aus frischem Metall statt eines Punktes überstreicht. Die Patentschrift sagt den Grund klar: "since the bombarded surface of the anticathode is materially larger than in tubes of the type having a concentrated focal spot which is formed on a stationary anticathode, such tubes present the advantage that a much higher load may be applied". Unter dem Namen Rotalix wurde es ab 1929 verkauft.
**Der clevere Teil ist die Art des Antriebs.** Man kann keine Welle durch die Wand einer Vakuumröhre führen und dennoch ein Vakuum haben. Daher wird die Anode auf einem Rotor montiert, der INSIDE den Kolben abgedichtet ist, und die Patentschrift beansprucht "a metallic stator carrying magnetic coils for imparting rotative motion to said anode and arranged without the tube" – ein Induktionsmotor, dessen Stator außerhalb des Glases liegt und dessen Rotor sich innen befindet, gekoppelt allein durch ein Magnetfeld. Nichts durchdringt die Wand.
**Das werden Sie bauen.** Keine Röntgenröhre – dieser Bauplan verlangt von niemandem, ionisierende Strahlung zu erzeugen –, sondern der eigentliche Mechanismus, den Bouwers patentiert hat: ein Stator außerhalb eines verschlossenen Glasgefäßes, der einen Rotor im Inneren antreibt, ohne jede Verbindung zwischen beiden. Es ist derselbe Motor mit demselben Arbeitsprinzip, und Sie werden seine Drehzahl, seinen Schlupf und seine Hochlaufzeit messen.
Fortgeschritten
3 Stunden
Anweisungen
1
1
Eine zweiphasige Statorwicklung wickeln
Eine zweiphasige Statorwicklung wickeln
Ein Induktionsmotor benötigt ein Magnetfeld, das ROTATES. Zwei einander gegenüberliegende und gemeinsam angesteuerte Spulen erzeugen keines – sie erzeugen ein Feld, das entlang einer Linie hin und her pulsiert, was einen Rotor zum Rattern bringt, ihn aber nie drehen wird. Du brauchst mindestens zwei Paare, im rechten Winkel zueinander und phasenverschoben angesteuert.
Wickle vier Spulen mit etwa 300 Windungen aus 0,4 mm lackiertem Kupferdraht auf Kunststoffspulenkörpern mit etwa 25 mm Durchmesser. Zwei einander gegenüberliegende Spulen bilden eine Phase; die anderen beiden, um neunzig Grad versetzt, bilden die zweite.
Befestige alle vier um einen Ring aus Sperrholz oder einem 3D-gedruckten Rahmen, der so bemessen ist, dass das Glas aus Schritt 2 mit 3–5 mm Spiel in der Mitte hindurchpasst. Der Spalt ist wichtiger als die Windungszahl: Die Feldstärke nimmt schnell ab, und jeder zusätzliche Millimeter Glas zwischen Stator und Rotor kostet Drehmoment.
Bouwers hatte dieselbe Einschränkung, und sie ist in der Patentzeichnung zu sehen – der Kolben ist bewusst CYLINDRICAL und an der Stelle, an der er durch den Stator verläuft, schmal gehalten, damit die Spulen so nah wie das Glas es zulässt am Rotor sitzen können.
Materialien für diesen Schritt:
Lackierter Kupferdraht100 m
Sperrholzplatte1 Stück
Weißleim (PVAc)20 mlBenötigte Werkzeuge:
Abisolierzange
Lötstation
Digitalmultimeter, Laborqualität
Digitaler Messschieber 6 Zoll
Bastelmesser2
2
Der Rotor, im Inneren versiegelt, berührt nichts außerhalb
Der Rotor, im Inneren versiegelt, berührt nichts außerhalb
Der Rotor muss elektrisch CONDUCTIVE sein und muss nicht magnetisch sein. Das rotierende Feld induziert darin Wirbelströme, diese Ströme erzeugen ihr eigenes Feld, und die beiden Felder ziehen den Rotor mit. Aluminium ist ideal, Kupfer funktioniert, Stahl funktioniert schlecht, und Kunststoff bewirkt überhaupt nichts.
Drehen oder fräsen Sie einen massiven Aluminiumzylinder von etwa 20 mm Durchmesser und 40 mm Länge. Bohren Sie ihn an jedem Ende mittig und pressen Sie zwei kurze Stahl-Stummelachsen hinein, oder kleben Sie einfach die inneren Laufringe von zwei kleinen Kugellagern ein.
Bauen Sie innerhalb eines Glases mit geraden Wänden einen leichten Rahmen, der die Lager trägt, sodass der Rotor frei auf der Achse des Glases rotiert. Verschließen Sie dann das Glas. Ab diesem Punkt überquert nichts Elektrisches die Wand – das ist der gesamte Sinn des Versuchs.
Wenn Sie die Möglichkeit haben, das Glas auch nur grob zu evakuieren, tun Sie es und notieren Sie, wie viel länger der Rotor ausläuft. Bouwers' Rotor lief im Hochvakuum ganz ohne Luftwiderstand, aber auch ohne Luft, die Wärme von den Lagern abführt, was der Kompromiss ist, auf den das Kompendium immer wieder zurückkommt.
Materialien für diesen Schritt:
Aluminiumstab1 Stück
Kugellager2 Stück
Einmachglas1 Stück
Acrylplatte1 StückBenötigte Werkzeuge:
Akkubohrschrauber
Bohrersatz
Bügelsäge (Metallsäge)
Feilensatz
Digitaler Messschieber 6 Zoll3
3
Lass das Feld rotieren und beweise, dass es das tut
Lass das Feld rotieren und beweise, dass es das tut
Treibe Phase A von einem Funktionsgenerator über einen kleinen Audio-Leistungsverstärker an – eine Sinuswelle mit 40–60 Hz, einige Volt. Netzspannung wird in diesem Aufbau nirgends benötigt und sollte nicht verwendet werden. Treibe Phase B vom Ausgang des SAME-Verstärkers über einen Kondensator an, der seinen Strom zeitlich relativ zu Phase A verschiebt.
Den Generator statt eines Transformators zu verwenden, lohnt den zusätzlichen Aufwand: Du kannst die Frequenz durchstimmen und beobachten, wie der Rotor ihr folgt, wodurch Schritt 4 von einer einzelnen Messung zu einer Kurve wird.
Diese Phasenverschiebung ist der ganze Trick. Wenn A seinen Scheitelwert hat, während B null ist, und B eine Viertelperiode später seinen Scheitelwert erreicht, zeigt das resultierende Feld in eine Richtung, die mit der Versorgungsfrequenz um den Ring wandert. Beginne mit 4–10 Mikrofarad, ungepolt, mit einer Spannungsfestigkeit deutlich über deiner Versorgungsspannung.
**Beweise, dass das Feld rotiert, bevor du den Rotor verantwortlich machst.** Lege einen kleinen Kompass in die Mitte des Stators, während die Spannung bei niedriger Leistung eingeschaltet ist: Er sollte sich ständig drehen oder unruhig pendeln, statt zur Ruhe zu kommen. Wenn er sich einpendelt und zittert, hast du ein pulsierendes Feld, und der Kondensatorwert oder die Verdrahtung ist falsch.
Dann setze das Glas in den Ring und schalte die Spannung ein. Der Rotor sollte von selbst anlaufen. Dreht er sich nur, wenn du ihn von Hand anstößt, ist die Phasenverschiebung zwar vorhanden, aber zu klein – probiere einen anderen Kondensator.
Materialien für diesen Schritt:
Kondensatorsortiment1 StückBenötigte Werkzeuge:
Funktionsgenerator
Class-D-Audioverstärkerplatine
Digitalmultimeter, Laborqualität
Kompass
Messleitungen mit Krokodilklemmen
Vollsichtschutzbrille4
4
Drehzahl, Schlupf und Hochlaufzeit messen
Drehzahl, Schlupf und Hochlaufzeit messen
**Drehzahl.** Markieren Sie mit einem Marker eine Linie am Rotor und lesen Sie sie mit einem optischen Drehzahlmesser ab, oder filmen Sie ihn mit einer bekannten Bildrate und zählen Sie. Ein zweipoliges Feld bei 50 Hz dreht sich mit 3000 U/min; bei 60 Hz mit 3600.
**Schlupf.** Ihr Rotor wird sich immer langsamer drehen als das Feld, und das ist kein Fehler, sondern die Funktionsweise der Maschine. Wirbelströme werden nur induziert, wenn sich das Feld RELATIVE relativ zum Rotor bewegt. Ein Rotor, der genau mit Feldgeschwindigkeit läuft, hätte also keinen induzierten Strom und überhaupt kein Drehmoment. Messen Sie die Differenz als Prozentsatz der Feldgeschwindigkeit. Einige Prozent im Leerlauf sind normal; sie steigen, sobald Sie belasten.
**Hochlauf.** Messen Sie die Zeit vom Einschalten bis zur stabilen Drehzahl. Denken Sie dann darüber nach, was das klinisch bedeutet: Eine echte Röhre muss BEFORE die Belichtung beginnt, auf voller Drehzahl sein, sonst liegt der Brennfleck auf einem Bereich einer kaum bewegten Scheibe, und Sie haben nichts gewonnen. Das Summen, das Sie in einem Röntgenraum eine Sekunde vor dem Klicken hören, ist genau dies.
**Auslaufen.** Schalten Sie die Stromversorgung ab und messen Sie, wie lange es dauert, bis der Rotor stillsteht. Diese Zahl ist Ihre Lagerqualität und Ihr Luftwiderstand, und sie entscheidet, ob eine echte Röhre fünf Jahre hält oder in einem Jahr versagt.
Benötigte Werkzeuge:
Digitaler Drehzahlmesser
Stoppuhr
Digitalmultimeter, Laborqualität5
5
Die Wärmerechnung, die all das erzwang
Die Wärmerechnung, die all das erzwang
Jupyter-Notebook wird geladen …
6
6
Wenn sich der Rotor nicht drehen lässt
Wenn sich der Rotor nicht drehen lässt
Fast jeder Fehler liegt hier am Feld, nicht am Rotor. Arbeiten Sie der Reihe nach vor - der Kompasstest in Schritt 3 beantwortet die ersten beiden Fragen direkt.
Flow
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Benötigte Werkzeuge:
Kompass
Digitalmultimeter, Laborqualität7
7
Kompendium: das Lager und was ein Brennfleck wirklich ist
Kompendium: das Lager und was ein Brennfleck wirklich ist
**Das Lager ist der schwierige Teil.** Es läuft mit 3.000 bis 10.000 U/min, im Hochvakuum, wenige Zentimeter von einer Scheibe entfernt, die glühen kann. Gewöhnliche Schmierstoffe verdampfen bei diesem Druck sofort und würden das Vakuum verunreinigen, daher laufen die Kugeln trocken oder in einem dünnen Metallfilm - oft Blei oder Silber, auf die Laufbahnen aufgetragen. Deshalb ist eine Drehanodenröhre teuer, wird in Belichtungen statt in Betriebsstunden angegeben und versagt meist mechanisch statt elektrisch. Moderne Hochleistungsröhren ersetzen die Kugeln durch ein Flüssigmetall-Spiralnutlager, das zugleich die Wärme aus der Anode abführt - zwei Probleme mit einem Bauteil gelöst.
**Das Linienfokus-Prinzip, das den Trick verdoppelt.** Die Targetfläche steht nicht senkrecht zum Strahl, sondern ist abgeschrägt, typischerweise um 12 bis 17 Grad. Die Elektronen treffen auf einen langen, schmalen Bereich - viel Fläche, gut für die Wärme -, doch von der Position des Patienten aus gesehen ist dieser Bereich verkürzt und erscheint als nahezu quadratischer Brennfleck. So erhält man gleichzeitig eine große erhitzte Fläche und eine kleine scheinbare Quelle. Hier leistet die Geometrie thermische Arbeit, und sie addiert sich zur Rotation, statt mit ihr zu konkurrieren.
**Sein Preis ist der Anodeneffekt.** Da das Target angewinkelt ist, durchlaufen Röntgenstrahlen, die zur Anodenseite austreten, mehr vom Target selbst und werden absorbiert. Der Strahl ist auf der Anodenseite des Feldes messbar schwächer - weshalb Radiologen den dickeren Teil des Patienten zur Kathode legen.
**Warum nichts es ersetzte.** Neunzig Jahre später ist praktisch jede diagnostische Röntgenröhre der Welt immer noch eine abgeschrägte Wolframscheibe, durch eine dichte Wand von einem Induktionsmotor gedreht, genau so, wie dieses Patent es beschreibt. Die Scheiben sind größer, die Lager besser, die Hüllen bestehen aus Metall und Keramik statt aus Glas - und die Zeichnung auf diesem Entwurf würde von jedem wiedererkannt, der diese Röhren wartet.
Materialien
8- Platzhalter
- 1 StückPlatzhalter
- 20 mlPlatzhalter
- 1 StückPlatzhalter
- Platzhalter
- 1 StückPlatzhalter
- 1 StückPlatzhalter
- 1 StückPlatzhalter
Benötigte Werkzeuge
16- Platzhalter
- Platzhalter
- Platzhalter
- Platzhalter
- Platzhalter
- 1 vendor sell this, none ship to you yetPlatzhalter
- Platzhalter
- Platzhalter
- Platzhalter
- Platzhalter
- Platzhalter
- Platzhalter
- Platzhalter
- Platzhalter
- Platzhalter
- Platzhalter
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