Сотрудничество
ИСКУССТВО
КРАСОТА И ЗДОРОВЬЕ
РЕМЕСЛО
КУЛЬТУРА И ИСТОРИЯ
РАЗВЛЕЧЕНИЯ
ЭКОЛОГИЯ
ЕДА И НАПИТКИ
ОБРАТНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
НАУКИ
СПОРТ
ТЕХНОЛОГИИ
НОСИМЫЕ УСТРОЙСТВА

English
Ротационная рентгеновская трубка Bouwers
Трубка Кулиджа 1913 года решила электрическую проблему: нагретый катод задаёт ток, поэтому оператор наконец управляет пучком, а не борется с газовым баллоном. Но взамен она передала **тепловую** проблему, и весьма жёсткую.
Только около одного процента мощности, вложенной в рентгеновскую трубку, выходит в виде рентгеновского излучения. Остальное превращается в тепло, которое концентрируется в фокальном пятне диаметром около пары миллиметров. При 100 кВ и 400 мА это примерно 40 киловатт, поступающих в область меньше зерна риса, — в сотни раз выше плотность мощности, чем у электроплитки, и всё это в вольфрам. Пятно не нагревается постепенно. Оно покрывается кратерами, затем плавится, а изъеденный анод дает размытый и асимметричный пучок до конца срока службы трубки.
Ответ Альберта Баувеса в Philips состоял в том, чтобы перестать позволять пучку попадать в одно и то же место дважды. **US 1,933,005** «X-ray tube», подана 13 марта 1930 года, выдана 31 октября 1933 года: мишень помещается на диск, который вращается, так что пучок описывает кольцо свежего металла вместо точки. В патенте прямо сказано, почему: «поскольку облучаемая поверхность антикатода существенно больше, чем у трубок типа с концентрированным фокальным пятном, образованным на неподвижном антикатоде, такие трубки обладают преимуществом, заключающимся в том, что может быть приложена гораздо более высокая нагрузка». Под названием Rotalix продавалась с 1929 года.
**Самая умная часть — то, как она приводится в движение.** Нельзя провести вал через стенку вакуумной трубки и сохранить вакуум. Поэтому анод установлен на роторе, герметично запаянном INSIDE баллона, а в патенте заявлено «металлический статор, несущий магнитные катушки для придания вращательного движения упомянутому аноду и расположенный вне трубки» — асинхронный двигатель, статор которого находится снаружи стекла, а ротор внутри, связанные только магнитным полем. Ничто не проходит через стенку вообще.
**Именно это вы и построите.** Не рентгеновскую трубку — этот план не просит никого создавать ионизирующее излучение, — а реальный механизм, запатентованный Баувесом: статор снаружи герметичной стеклянной колбы раскручивает ротор внутри неё без какой-либо связи между ними. Это тот же двигатель, по тому же рабочему принципу, и вы будете измерять его скорость, скольжение и время разгона.
Средний
3 часа
Инструкции
1
1
Намотка двухфазного статора
Намотка двухфазного статора
Асинхронному двигателю нужно магнитное поле, которое ROTATES. Две катушки, направленные друг на друга и питаемые вместе, не создают его: они создают поле, которое пульсирует туда и обратно вдоль одной линии, что будет трясти ротор и никогда не заставит его вращаться. Нужно как минимум две пары, расположенные под прямым углом и питаемые со сдвигом фаз.
Намотайте четыре катушки примерно по 300 витков эмалированного медного провода диаметром 0,4 мм на пластиковых каркасах диаметром около 25 мм. Две катушки, расположенные напротив друг друга, образуют одну фазу; две другие, под углом девяносто градусов, образуют вторую.
Установите все четыре вокруг кольца из фанеры или рамки, напечатанной на 3D-принтере, размер которой таков, чтобы банка из шага 2 проходила в центр с зазором 3-5 мм. Зазор важнее количества витков: напряженность поля быстро падает, и каждый лишний миллиметр стекла между статором и ротором снижает крутящий момент.
У Бауверса было то же ограничение, и это видно на патентном чертеже: оболочка намеренно сделана CYLINDRICAL и узкой там, где она проходит через статор, чтобы катушки могли находиться как можно ближе к ротору, насколько позволяет стекло.
Материалы для этого шага:
Эмалированный медный провод100 m
Лист фанеры1 штука
Столярный клей ПВА20 млНеобходимые инструменты:
Инструмент для снятия изоляции
Паяльная станция
Цифровой мультиметр лабораторного класса
Цифровой штангенциркуль 6 дюймов
Макетный нож2
2
Ротор, герметично запечатанный внутри, не касается ничего снаружи
Ротор, герметично запечатанный внутри, не касается ничего снаружи
Ротор должен быть CONDUCTIVE проводящим и не обязан быть магнитным. Вращающееся поле индуцирует в нём вихревые токи, эти токи создают собственное поле, и два поля увлекают ротор за собой. Алюминий идеален, медь подходит, сталь работает плохо, а пластик не даёт вообще ничего.
Точите или отрежьте сплошной алюминиевый цилиндр диаметром около 20 мм и длиной 40 мм. Просверлите его по оси с каждого торца и вставьте два коротких стальных стержня-цапфы или просто приклейте внутренние кольца двух маленьких шарикоподшипников.
Соберите лёгкую рамку внутри стеклянной банки с прямыми стенками, которая будет держать подшипники так, чтобы ротор свободно вращался по оси банки. Затем закройте банку. С этого момента ничто электрическое не пересекает стенку, и в этом весь смысл упражнения.
Если у вас есть возможность создать хотя бы грубый вакуум в банке, сделайте это и отметьте, насколько дольше ротор будет вращаться по инерции. Ротор Бауэрса работал в глубоком вакууме без какого-либо воздушного сопротивления, а также без воздуха, который отводил бы тепло от подшипников, и это компромисс, к которому компендиум возвращается.
Материалы для этого шага:
Алюминиевый пруток1 штука
Шарикоподшипник2 штук
Стеклянная банка1 штука
Акриловый лист1 штукаНеобходимые инструменты:
Аккумуляторная дрель
Набор свёрл
Ножовка по металлу
Набор напильников
Цифровой штангенциркуль 6 дюймов3
3
Заставьте поле вращаться и докажите, что оно вращается
Заставьте поле вращаться и докажите, что оно вращается
Питайте фазу A от функционального генератора через небольшой аудиоусилитель мощности — синусоида 40–60 Гц, несколько вольт. Сеть в этой конструкции нигде не нужна и использовать её не следует. Питайте фазу B от выхода усилителя SAME через конденсатор, который сдвигает её ток во времени относительно фазы A.
Питание от генератора, а не от трансформатора, стоит дополнительной детали: можно плавно менять частоту и наблюдать, как следует за ней ротор, что превращает шаг 4 из одного измерения в кривую.
Этот фазовый сдвиг — и есть весь фокус. Когда A находится в пике, а B в нуле, и B достигает пика на четверть периода позже, суммарное поле указывает в направлении, которое обходит кольцо с частотой питания. Начните с 4–10 микрофарад, неполярного, с номиналом напряжения заметно выше напряжения питания.
**Сначала докажите, что поле вращается, прежде чем винить ротор.** Поместите маленький компас в центр статора при включённом питании на малом напряжении: он должен непрерывно вращаться или колебаться, а не останавливаться. Если он останавливается и дрожит, поле пульсирует, и значение конденсатора или проводка неверны.
Затем поместите банку в кольцо и включите питание. Ротор должен начать вращаться сам. Если он вращается только тогда, когда вы помогаете ему рукой, фазовый сдвиг есть, но слишком мал — попробуйте другой конденсатор.
Материалы для этого шага:
Набор конденсаторов1 штукаНеобходимые инструменты:
Генератор сигналов
Плата аудиоусилителя класса D
Цифровой мультиметр лабораторного класса
Компас
Измерительные провода с зажимами «крокодил»
Закрытые защитные очки4
4
Измерьте скорость, скольжение и время разгона
Измерьте скорость, скольжение и время разгона
**Скорость.** Нанесите маркером одну линию на ротор и считайте её оптическим тахометром или снимите на видео с известной частотой кадров и подсчитайте. Двухполюсное поле при 50 Гц вращается со скоростью 3000 об/мин; при 60 Гц — 3600.
**Скольжение.** Ваш ротор всегда будет вращаться медленнее поля, и это не неисправность — так работает машина. Вихревые токи индуцируются только тогда, когда поле движется RELATIVE относительно ротора, поэтому ротор, вращающийся точно с полевой скоростью, не имел бы наведённого тока и вообще никакого крутящего момента. Измерьте разницу как процент от скорости поля. Несколько процентов без нагрузки — это нормально; при нагрузке она растёт сразу же.
**Разгон.** Засеките время от включения до установившейся скорости. Затем подумайте, что это означает клинически: реальная трубка должна работать на полной скорости BEFORE начинается экспозиция, иначе пятно попадает на один участок едва вращающегося диска, и вы ничего не выиграли. Гул, который вы слышите в рентгенкабинете за секунду до щелчка, — это именно оно.
**Выбег.** Отключите питание и засеките, сколько времени уходит на остановку. Это число характеризует качество ваших подшипников и аэродинамическое сопротивление, и именно оно определяет, прослужит ли реальная трубка пять лет или выйдет из строя за один год.
Необходимые инструменты:
Цифровой тахометр
Секундомер
Цифровой мультиметр лабораторного класса5
5
Тепловой расчет, который вынудил всё это
Тепловой расчет, который вынудил всё это
Загрузка блокнота Jupyter…
6
6
Когда ротор не вращается
Когда ротор не вращается
Почти каждая неисправность здесь связана с полем, а не с ротором. Проверяйте по порядку - тест с компасом на шаге 3 сразу отвечает на первые два вопроса.
Flow
Loading...
Необходимые инструменты:
Компас
Цифровой мультиметр лабораторного класса7
7
Компендиум: подшипник и что такое фокусное пятно на самом деле
Компендиум: подшипник и что такое фокусное пятно на самом деле
**Подшипник — самая сложная часть.** Он вращается со скоростью от 3 000 до 10 000 об/мин в глубоком вакууме, всего в нескольких сантиметрах от диска, который может раскаляться до свечения. Обычные смазочные материалы мгновенно испаряются при таком давлении и загрязнили бы вакуум, поэтому шарики работают либо без смазки, либо в тонкой металлической пленке — часто свинцовой или серебряной, нанесенной на дорожки качения. Именно поэтому вращающаяся анодная трубка стоит дорого, именно поэтому её ресурс указывают в экспозициях, а не в часах, и именно поэтому отказ обычно бывает механическим, а не электрическим. Современные высококлассные трубки заменяют шарики жидкometаллическим спиральным подшипником с канавками, который также отводит тепло от анода — решая две проблемы одной деталью.
**Принцип линейного фокуса, который удваивает эффект.** Поверхность мишени расположена не перпендикулярно пучку, а под скосом, обычно 12–17 градусов. Электроны попадают на длинный тонкий участок — большая площадь, хорошо для отвода тепла, — но если смотреть с места пациента, этот участок укорачивается и выглядит почти квадратным пятном. Вы получаете одновременно большую нагреваемую площадь и малый видимый источник. Это геометрия, выполняющая тепловую работу, и она складывается с вращением, а не конкурирует с ним.
**Его цена — анодный эффект.** Поскольку мишень наклонена, рентгеновские лучи, летящие в сторону анода, проходят через большую толщу самой мишени и поглощаются. Пучок заметно слабее на анодной стороне поля, поэтому рентгенlaborанты располагают более толстую часть пациента ближе к катоду.
**Почему ему ничто не нашло замены.** Девяносто лет спустя практически каждая диагностическая рентгеновская трубка в мире по-прежнему представляет собой скошенный вольфрамовый диск, вращаемый асинхронным двигателем через герметичную стенку, точно так, как описано в этом патенте. Диски стали больше, подшипники лучше, оболочки выполнены из металла и керамики, а не из стекла, — и чертеж на этом бланке узнал бы любой, кто их обслуживает.
Материалы
8- Заполнитель
- 1 штукаЗаполнитель
- 20 млЗаполнитель
- 1 штукаЗаполнитель
- Заполнитель
- 1 штукаЗаполнитель
- 1 штукаЗаполнитель
- 1 штукаЗаполнитель
Требуемые инструменты
16- Заполнитель
- Заполнитель
- Заполнитель
- Заполнитель
- Заполнитель
- 1 vendor sell this, none ship to you yetЗаполнитель
- Заполнитель
- Заполнитель
- Заполнитель
- Заполнитель
- Заполнитель
- Заполнитель
- Заполнитель
- Заполнитель
- Заполнитель
- Заполнитель
Связанные чертежи
Эти чертежи делятся знаниями — техники, материалы или принципы
CC0 Общественное достояние
Этот чертёж выпущен под лицензией CC0. Вы можете свободно копировать, изменять, распространять и использовать эту работу в любых целях без запроса разрешения.
Поддержите мейкера, покупая товары через его чертёж, где он получает Комиссию мейкера установленную продавцами, или создайте новую итерацию этого чертежа и включите его как связь в свой чертёж для распределения дохода.


