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Tubo de rayos X de ánodo rotatorio de Bouwers
El tubo de Coolidge de 1913 resolvió el problema eléctrico: un filamento calentado establece la corriente, de modo que el operador finalmente controla el haz en lugar de negociar con una bolsa de gas. Lo que entregó fue un problema **térmico**, y brutal.
Solo alrededor del uno por ciento de la potencia que introduces en un tubo de rayos X sale como rayos X. El resto se convierte en calor, liberado en un punto focal de un par de milímetros de ancho. A 100 kV y 400 mA eso supone unos 40 kilovatios que llegan a un área más pequeña que un grano de arroz: cientos de veces la densidad de potencia de una placa calefactora, sobre tungsteno. El punto no se calienta gradualmente. Se pica, luego se funde, y un ánodo picado produce un haz borroso y asimétrico durante el resto de la vida del tubo.
La respuesta de Albert Bouwers en Philips fue dejar de permitir que el haz golpeara dos veces el mismo lugar. **US 1,933,005** "X-ray tube", presentada el 13 de marzo de 1930 y concedida el 31 de octubre de 1933: colocar el blanco en un disco y hacerlo girar, de modo que el haz recorra un anillo de metal fresco en lugar de un punto. La patente lo explica con claridad: "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". Se comercializó como Rotalix desde 1929.
**La parte ingeniosa es cómo se acciona.** No se puede pasar un eje a través de la pared de un tubo de vacío y seguir manteniendo el vacío. Por ello, el ánodo se monta en un rotor sellado INSIDE la envoltura, y la patente reivindica "a metallic stator carrying magnetic coils for imparting rotative motion to said anode and arranged without the tube": un motor de inducción cuyo estator está fuera del vidrio y cuyo rotor está dentro, acoplados únicamente por un campo magnético. Nada atraviesa la pared.
**Eso es lo que vas a construir.** No un tubo de rayos X; este plan no pide a nadie producir radiación ionizante, sino el mecanismo real que Bouwers patentó: un estator fuera de un frasco de vidrio sellado que hace girar un rotor en su interior, sin conexión entre ambos. Es el mismo motor, con el mismo principio de funcionamiento, y medirás su velocidad, su deslizamiento y su tiempo de arranque.
Intermedio
3 horas
Instrucciones
1
1
Devanar un estator bifásico
Devanar un estator bifásico
Un motor de inducción necesita un campo magnético que ROTATES. Dos bobinas enfrentadas y alimentadas juntas no producen uno: generan un campo que pulsa de un lado a otro a lo largo de una línea, lo que hará vibrar un rotor sin hacerlo girar nunca. Necesitas al menos dos pares, en ángulo recto y alimentados desfasados.
Bobina cuatro bobinas de unas 300 vueltas de alambre de cobre esmaltado de 0,4 mm sobre carretes de plástico de unos 25 mm de diámetro. Dos bobinas opuestas entre sí forman una fase; las otras dos, a noventa grados, forman la segunda.
Monta las cuatro alrededor de un anillo de contrachapado o de un marco impreso en 3D, con un tamaño tal que el frasco del paso 2 pase por el centro con una holgura de 3-5 mm. El entrehierro importa más que el número de vueltas: la intensidad del campo disminuye muy rápido, y cada milímetro adicional de vidrio entre el estator y el rotor te cuesta par.
Bouwers tuvo la misma restricción y se aprecia en el dibujo de la patente: la envoltura está hecha deliberadamente CYLINDRICAL y estrecha donde atraviesa el estator, para que las bobinas puedan quedar tan cerca del rotor como permita el vidrio.
Materiales para este paso:
Hilo de cobre esmaltado100 m
Tablero contrachapado1 pieza
Cola blanca para madera (PVA)20 mlHerramientas necesarias:
Pelacables
Estación de soldadura
Multímetro digital de laboratorio
Calibre digital de 6 pulgadas
Cúter de precisión2
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El rotor, sellado dentro, sin tocar nada en el exterior
El rotor, sellado dentro, sin tocar nada en el exterior
El rotor debe ser CONDUCTIVE eléctricamente y no necesita ser magnético. El campo giratorio induce corrientes de Foucault en él, esas corrientes generan su propio campo, y los dos campos arrastran al rotor en rotación. El aluminio es ideal, el cobre funciona, el acero funciona mal y el plástico no hace nada en absoluto.
Tornee o corte un cilindro macizo de aluminio de unos 20 mm de diámetro y 40 mm de largo. Taladre su centro en cada extremo e introduzca a presión dos ejes cortos de acero, o simplemente pegue los aros interiores de dos pequeños rodamientos de bolas.
Construya un bastidor ligero dentro de un frasco de vidrio de paredes rectas para sostener los rodamientos de modo que el rotor gire libremente sobre el eje del frasco. Después cierre el frasco. A partir de este momento nada eléctrico atraviesa la pared, que es precisamente el objetivo del ejercicio.
Si dispone de los medios para hacer un vacío aunque sea tosco en el frasco, hágalo y anote cuánto más tiempo sigue girando el rotor por inercia. El rotor de Bouwers funcionaba en un vacío duro sin resistencia del aire en absoluto, y también sin aire que llevara el calor lejos de los rodamientos, que es el compromiso al que vuelve el compendio.
Materiales para este paso:
Varilla de aluminio1 pieza
Rodamiento de bolas2 piezas
Tarro de vidrio1 pieza
Lámina de acrílico1 piezaHerramientas necesarias:
Taladro inalámbrico
Juego de brocas
Sierra para metales
Juego de limas
Calibre digital de 6 pulgadas3
3
Haz que el campo gire y demuéstralo
Haz que el campo gire y demuéstralo
Acciona la fase A desde un generador de funciones a través de un pequeño amplificador de potencia de audio: una señal senoidal de 40-60 Hz, de unos pocos voltios. La red eléctrica no es necesaria en ninguna parte de este montaje y no debe utilizarse. Acciona la fase B desde la salida del amplificador SAME a través de un condensador, que desplaza su corriente en el tiempo con respecto a la fase A.
Vale la pena usar el generador en lugar de un transformador, aunque requiera una pieza adicional: puedes barrer la frecuencia y observar cómo el rotor la sigue, lo que convierte el paso 4 en una sola medición en una curva.
Ese desfase es todo el truco. Con A en su pico mientras B está en cero, y B alcanzando su pico un cuarto de ciclo después, el campo combinado apunta en una dirección que recorre el anillo a la frecuencia de la red. Empieza con 4-10 microfaradios, no polarizado, con una tensión nominal muy superior a la de tu alimentación.
**Demuestra que el campo gira antes de culpar al rotor.** Coloca una brújula pequeña en el centro del estator con la alimentación conectada a bajo voltaje: debería girar o oscilar continuamente en lugar de asentarse. Si se asienta y tiembla, tienes un campo pulsante y el valor del condensador o el cableado son incorrectos.
Después, coloca el frasco en el anillo y enciende. El rotor debería arrancar por sí solo. Si solo gira cuando lo ayudas con la mano, el desfase está presente pero es demasiado pequeño: prueba con otro condensador.
Materiales para este paso:
Kit de condensadores1 piezaHerramientas necesarias:
Generador de funciones
Placa amplificadora de audio de clase D
Multímetro digital de laboratorio
Brújula
Cables de prueba con pinzas de cocodrilo
Gafas de seguridad estancas4
4
Mida la velocidad, el deslizamiento y el tiempo de arranque
Mida la velocidad, el deslizamiento y el tiempo de arranque
**Velocidad.** Marque una línea en el rotor con un marcador y léala con un tacómetro óptico, o filme el giro a una velocidad de fotogramas conocida y cuente. Un campo de dos polos a 50 Hz gira a 3000 rpm; a 60 Hz, a 3600.
**Deslizamiento.** Su rotor siempre girará más lento que el campo, y eso no es un fallo: es como funciona la máquina. Las corrientes de Foucault solo se inducen cuando el campo se mueve RELATIVE respecto al rotor, así que un rotor que girara exactamente a la velocidad del campo no tendría corriente inducida ni par alguno. Mida la diferencia como porcentaje de la velocidad del campo. Un deslizamiento de unos pocos por ciento en vacío es normal; aumenta en cuanto se carga.
**Tiempo de arranque.** Mídalo desde la conexión hasta alcanzar una velocidad estable. Luego piense en lo que eso significa clínicamente: un tubo real debe estar a plena velocidad BEFORE comienza la exposición, o el punto cae sobre una sola zona de un disco que apenas se mueve y no se habrá ganado nada. El zumbido que se oye en una sala de rayos X un segundo antes del clic es precisamente esto.
**Desaceleración.** Corte la alimentación y mida cuánto tarda en detenerse. Ese número indica la calidad de sus cojinetes y su resistencia al aire, y es el dato que decide si un tubo real dura cinco años o falla en uno.
Herramientas necesarias:
Tacómetro digital
Cronómetro
Multímetro digital de laboratorio5
5
La aritmética del calor que obligó a todo esto
La aritmética del calor que obligó a todo esto
Cargando el cuaderno de Jupyter…
6
6
Cuando el rotor no gira
Cuando el rotor no gira
Casi todas las fallas aquí son del campo, no del rotor. Avance en orden: la prueba de la brújula del paso 3 responde directamente a las dos primeras preguntas.
Flow
Loading...
Herramientas necesarias:
Brújula
Multímetro digital de laboratorio7
7
Compendio: el cojinete y qué es realmente un punto focal
Compendio: el cojinete y qué es realmente un punto focal
**El cojinete es la parte difícil.** Funciona a entre 3.000 y 10.000 rpm, en un vacío intenso, a pocos centímetros de un disco que puede estar incandescente. Los lubricantes comunes se evaporan al instante a esa presión y contaminarían el vacío, así que las bolas giran en seco o sobre una fina película metálica, a menudo de plomo o plata depositada sobre las pistas. Por eso un tubo de ánodo giratorio es caro, por qué se clasifica en exposiciones y no en horas, y por qué el fallo suele ser mecánico y no eléctrico. Los tubos modernos de gama alta sustituyen las bolas por un cojinete de metal líquido con ranura en espiral, que además conduce el calor fuera del ánodo: dos problemas resueltos con una sola pieza.
**El principio del foco lineal, que duplica el truco.** La cara del blanco no es perpendicular al haz; está biselada, normalmente entre 12 y 17 grados. Los electrones impactan en una mancha larga y fina: mucha superficie, buena para el calor, pero visto desde la posición del paciente, ese área se acorta hasta formar un punto casi cuadrado. Así se obtiene a la vez una gran área calentada y una fuente aparente pequeña. Es la geometría haciendo trabajo térmico, y se suma a la rotación en lugar de competir con ella.
**Su coste es el efecto talón.** Como el blanco está inclinado, los rayos X que salen hacia el lado del ánodo atraviesan más material del propio blanco y son absorbidos. El haz es mediblemente más débil en el lado del ánodo del campo, por eso los radiólogos colocan la parte más gruesa del paciente hacia el cátodo.
**Por qué nada lo reemplazó.** Noventa años después, prácticamente todos los tubos de rayos X diagnósticos del mundo siguen siendo un disco de tungsteno biselado, girado por un motor de inducción a través de una pared sellada, exactamente como describe esta patente. Los discos son más grandes, los cojinetes son mejores, las envolturas son de metal y cerámica en lugar de vidrio, y cualquiera que les dé mantenimiento reconocería el dibujo de este plano.
Materiales
8- Marcador de posición
- 1 piezaMarcador de posición
- Marcador de posición
- 1 piezaMarcador de posición
- Marcador de posición
- 1 piezaMarcador de posición
- 1 piezaMarcador de posición
- 1 piezaMarcador de posición
Herramientas requeridas
16- Marcador de posición
- Marcador de posición
- Marcador de posición
- Marcador de posición
- Marcador de posición
- 1 vendor sell this, none ship to you yetMarcador de posición
- Marcador de posición
- Marcador de posición
- Marcador de posición
- Marcador de posición
- Marcador de posición
- Marcador de posición
- Marcador de posición
- Marcador de posición
- Marcador de posición
- Marcador de posición
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