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Tubo a raggi X a anodo rotante Bouwers
Il tubo di Coolidge del 1913 risolse il problema elettrico: un filamento riscaldato regola la corrente, cosicché l'operatore controlla finalmente il fascio invece di trattare con un sacchetto di gas. Ciò che consegnò fu però un problema **termico**, e brutale.
Solo circa l'uno per cento della potenza immessa in un tubo a raggi X esce come raggi X. Il resto diventa calore, depositato in una macchia focale di un paio di millimetri di diametro. A 100 kV e 400 mA si tratta di circa 40 kilowatt concentrati in un'area più piccola di un chicco di riso: centinaia di volte la densità di potenza di una piastra riscaldante, su tungsteno. La macchia non si riscalda gradualmente. Si vaiola, poi si fonde, e un anodo vaiolato produce un fascio sfocato e asimmetrico per tutta la vita del tubo.
La risposta di Albert Bouwers presso Philips fu smettere di far colpire il fascio due volte nello stesso punto. **US 1,933,005** "X-ray tube", depositato il 13 marzo 1930 e concesso il 31 ottobre 1933: il bersaglio viene montato su un disco e fatto ruotare, cosicché il fascio traccia un anello di metallo sempre fresco invece di un punto. Il brevetto spiega il motivo in modo chiaro: "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". Fu commercializzato come Rotalix dal 1929.
**La parte ingegnosa è come viene azionato.** Non si può far passare un albero attraverso la parete di un tubo sotto vuoto e mantenere il vuoto. Quindi l'anodo è montato su un rotore sigillato all'interno dell'involucro, e il brevetto rivendica "a metallic stator carrying magnetic coils for imparting rotative motion to said anode and arranged without the tube": un motore a induzione il cui statore è fuori dal vetro e il cui rotore è dentro, accoppiati solo da un campo magnetico. Nulla attraversa la parete.
**Questo è ciò che costruirai.** Non un tubo a raggi X - questo progetto non chiede a nessuno di produrre radiazioni ionizzanti - ma il meccanismo effettivo brevettato da Bouwers: uno statore esterno a un barattolo di vetro sigillato che fa girare un rotore al suo interno, senza alcun collegamento tra i due. È lo stesso motore, con lo stesso principio di funzionamento, e misurerai la sua velocità, lo scorrimento e il tempo di avviamento.
Intermedio
3 ore
Istruzioni
1
1
Avvolgere uno statore bifase
Avvolgere uno statore bifase
Un motore a induzione necessita di un campo magnetico che ROTATES. Due bobine una di fronte all'altra e alimentate insieme non ne producono uno - producono un campo che pulsa avanti e indietro lungo una linea, il che farà vibrare un rotore senza mai farlo girare. Servono almeno due coppie, ad angolo retto, alimentate con sfasamento.
Avvolgere quattro bobine di circa 300 spire di filo di rame smaltato da 0,4 mm su supporti di plastica di circa 25 mm di diametro. Due bobine opposte tra loro formano una fase; le altre due, a novanta gradi, formano la seconda.
Montare tutte e quattro attorno a un anello di compensato o di telaio stampato in 3D dimensionato in modo che il barattolo del passaggio 2 scenda al centro con 3-5 mm di gioco. Il gioco conta più delle spire: l'intensità del campo cala rapidamente, e ogni millimetro extra di vetro tra statore e rotore ti costa coppia.
Bouwers ebbe lo stesso vincolo ed è visibile nel disegno del brevetto - l'involucro è realizzato deliberatamente CYLINDRICAL e stretto dove attraversa lo statore, in modo che le bobine possano stare il più vicino possibile al rotore consentito dal vetro.
Materiali per questo passaggio:
Filo di rame smaltato100 m
Pannello di compensato1 pezzo
Colla vinilica per legno (PVA)20 mlStrumenti necessari:
Spelafili
Stazione saldante
Multimetro digitale da laboratorio
Calibro digitale da 6 pollici
Taglierino di precisione2
2
Il rotore, sigillato all'interno, non tocca nulla all'esterno
Il rotore, sigillato all'interno, non tocca nulla all'esterno
Il rotore deve essere CONDUCTIVE elettricamente conduttivo e non deve essere magnetico. Il campo rotante induce correnti parassite al suo interno, tali correnti generano un proprio campo, e i due campi trascinano il rotore in rotazione. L'alluminio è ideale, il rame funziona, l'acciaio funziona male e la plastica non fa assolutamente nulla.
Tornire o tagliare un cilindro pieno di alluminio di circa 20 mm di diametro e 40 mm di lunghezza. Forarlo centralmente a ciascuna estremità e inserire a pressione due brevi perni d'acciaio, oppure incollare semplicemente gli anelli interni di due piccoli cuscinetti a sfere.
Costruire un telaio leggero all'interno di un barattolo di vetro a pareti dritte per sostenere i cuscinetti, in modo che il rotore giri liberamente sull'asse del barattolo. Quindi chiudere il barattolo. Da questo momento nulla di elettrico attraversa la parete, che è proprio lo scopo dell'esperimento.
Se si dispone dei mezzi per fare anche solo un vuoto approssimativo nel barattolo, farlo e annotare di quanto più a lungo il rotore continua a girare per inerzia. Il rotore di Bouwers girava in un vuoto spinto senza alcuna resistenza dell'aria, e anche in assenza di aria che porti via il calore dai cuscinetti, che è il compromesso a cui il compendio ritorna.
Materiali per questo passaggio:
Barra tonda di alluminio1 pezzo
Cuscinetto a sfere2 pezzi
Barattolo di vetro1 pezzo
Lastra di acrilico1 pezzoStrumenti necessari:
Trapano a batteria
Serie di punte da trapano
Seghetto per metalli
Serie di lime
Calibro digitale da 6 pollici3
3
Fai ruotare il campo e dimostra che lo fa
Fai ruotare il campo e dimostra che lo fa
Pilota la fase A da un generatore di funzioni tramite un piccolo amplificatore audio di potenza - una sinusoide a 40-60 Hz, pochi volt. La rete elettrica non è necessaria in nessuna parte di questo montaggio e non deve essere usata. Pilota la fase B dall'uscita dell'amplificatore SAME tramite un condensatore, che sfasa la sua corrente nel tempo rispetto alla fase A.
Usare un generatore anziché un trasformatore vale il componente in più: puoi variare la frequenza e osservare il rotore che la segue, il che trasforma il passo 4 da una singola misura in una curva.
Questo sfasamento è l'intero trucco. Con A al picco mentre B è a zero, e B che raggiunge il picco un quarto di ciclo dopo, il campo risultante punta in una direzione che percorre l'anello alla frequenza di alimentazione. Inizia con 4-10 microfarad, non polarizzato, con una tensione nominale ben superiore alla tensione di alimentazione.
**Dimostra che il campo ruota prima di incolpare il rotore.** Metti una piccola bussola al centro dello statore con l'alimentazione accesa a bassa tensione: dovrebbe girare o oscillare continuamente invece di fermarsi. Se si ferma e vibra, hai un campo pulsante e il valore del condensatore o il cablaggio sono sbagliati.
Poi inserisci il barattolo nell'anello e accendi. Il rotore dovrebbe avviarsi da solo. Se gira solo quando lo aiuti a mano, lo sfasamento c'è ma è troppo piccolo - prova un condensatore diverso.
Materiali per questo passaggio:
Kit di condensatori1 pezzoStrumenti necessari:
Generatore di funzioni
Scheda amplificatore audio in classe D
Multimetro digitale da laboratorio
Bussola
Cavetti di prova con pinze a coccodrillo
Occhiali a mascherina4
4
Misurare velocità, scorrimento e tempo di avviamento
Misurare velocità, scorrimento e tempo di avviamento
**Velocità.** Segnare una linea sul rotore con un pennarello e leggerla con un contagiri ottico, oppure filmarlo a una frequenza di fotogrammi nota e contare. Un campo a due poli a 50 Hz ruota a 3000 giri/min; a 60 Hz, 3600.
**Scorrimento.** Il rotore girerà sempre più lentamente del campo, e questo non è un guasto: è il modo in cui funziona la macchina. Le correnti parassite vengono indotte solo quando il campo si muove RELATIVE rispetto al rotore, quindi un rotore che gira esattamente alla velocità del campo non avrebbe corrente indotta né alcuna coppia. Misurare la differenza come percentuale della velocità del campo. Qualche percento a vuoto è normale; cresce nel momento in cui lo si carica.
**Avviamento.** Misurare il tempo dall'accensione fino alla velocità stabile. Poi considerare che cosa significa in clinica: un tubo reale deve essere a piena velocità BEFORE inizi l'esposizione, altrimenti la macchia cade su una sola porzione di un disco che gira appena e non si è ottenuto nulla. Il ronzio che si sente in una sala radiologica un secondo prima dello scatto è esattamente questo.
**Decelerazione libera.** Togliere l'alimentazione e misurare quanto tempo impiega a fermarsi. Quel numero indica la qualità dei cuscinetti e la resistenza dell'aria, ed è il numero che decide se un tubo reale dura cinque anni o si guasta in uno solo.
Strumenti necessari:
Tachimetro digitale
Cronometro
Multimetro digitale da laboratorio5
5
L'aritmetica del calore che ha reso necessario tutto questo
L'aritmetica del calore che ha reso necessario tutto questo
Caricamento del notebook Jupyter…
6
6
Quando il rotore non gira
Quando il rotore non gira
Quasi ogni guasto in questo caso dipende dal campo, non dal rotore. Procedi in ordine: il test della bussola al passaggio 3 risponde direttamente alle prime due domande.
Flow
Loading...
Strumenti necessari:
Bussola
Multimetro digitale da laboratorio7
7
Compendio: il cuscinetto e cos'è davvero un fuoco
Compendio: il cuscinetto e cos'è davvero un fuoco
**Il cuscinetto è la parte difficile.** Funziona a 3.000-10.000 giri al minuto, in un vuoto spinto, a pochi centimetri da un disco che può essere incandescente. I lubrificanti ordinari evaporano all'istante a quella pressione e contaminerebbero il vuoto, quindi le sfere lavorano a secco o con un sottile film metallico - spesso piombo o argento depositati sulle piste. È per questo che un tubo anodico rotante è costoso, che viene valutato in esposizioni anziché in ore, e che il guasto è di solito meccanico anziché elettrico. I tubi moderni di fascia alta sostituiscono le sfere con un cuscinetto a spirale a metallo liquido, che conduce anche il calore fuori dall'anodo - risolvendo due problemi con un solo componente.
**Il principio del fuoco lineare, che raddoppia il trucco.** La superficie del bersaglio non è perpendicolare al fascio; è smussata, tipicamente di 12-17 gradi. Gli elettroni colpiscono una zona lunga e sottile - molta area, utile per il calore - ma vista dalla posizione del paziente, quella zona appare accorciata in una macchia quasi quadrata. Si ottiene così un'ampia area riscaldata e una piccola sorgente apparente allo stesso tempo. È la geometria che svolge un lavoro termico, e si somma alla rotazione anziché competere con essa.
**Il suo costo è l'effetto di tallone.** Poiché il bersaglio è inclinato, i raggi X diretti verso il lato anodico attraversano una maggiore quantità del bersaglio stesso e vengono assorbiti. Il fascio è misurabilmente più debole sul lato anodico del campo - ed è per questo che i radiologi posizionano la parte più spessa del paziente verso il catodo.
**Perché nulla lo ha sostituito.** Novant'anni dopo, praticamente ogni tubo radiologico diagnostico al mondo è ancora un disco di tungsteno smussato, fatto ruotare da un motore a induzione attraverso una parete sigillata, esattamente come descrive questo brevetto. I dischi sono più grandi, i cuscinetti sono migliori, gli involucri sono in metallo e ceramica anziché in vetro - e il disegno di questo progetto sarebbe ancora riconosciuto da chiunque li assista.
Materiali
8- Segnaposto
- 1 pezzoSegnaposto
- Segnaposto
- 1 pezzoSegnaposto
- Segnaposto
- 1 pezzoSegnaposto
- 1 pezzoSegnaposto
- 1 pezzoSegnaposto
Strumenti richiesti
16- Segnaposto
- Segnaposto
- Segnaposto
- Segnaposto
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- 1 vendor sell this, none ship to you yetSegnaposto
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