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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur automatischen Handhabung radioaktiver Stoffe, welche insbesondere einsetzbar ist für eine vollautomatische Prozessführung an radioaktiven Flüssigkeiten innerhalb von Abschirmungen, wobei die Prozessführung physikalische und/oder chemische Operationen umfasst. Durch die Erfindung können insbesondere selbstabgeschirmte Synthesemodule oder Dispenser zur Handhabung und Verarbeitung radioaktiver Flüssigkeiten bereitgestellt werden.
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Bei der Handhabung von radioaktiven Substanzen mit hohen Aktivitäten muss das Bedienpersonal und die Umwelt vor der radioaktiven Strahlung geschützt werden. Dies geschieht mittels Abschirmungen aus Materialien mit hoher spezifischer Dichte wie z. B. Blei, Wolfram oder Uran und mit erforderlichen Wandstärken von mindestens 5 Zentimetern. Handelsübliche Abschirmungen, so genannte „Heiße Zellen” haben daher ein Gewicht von mehreren Tonnen. Diese Abschirmungen müssen die Strahlung in alle Raumrichtungen signifikant reduzieren und dürfen keinen Strahlenpass aufweisen. Um physikalische und chemische Operationen innerhalb dieser Abschirmung durchführen zu können ist eine Bedienung über Ferngreifer (Manipulatoren) oder über innerhalb der Abschirmung befindlicher vollautomatische Systeme (z. B. Synthesemodule, Dispenser, Roboter) nötig. Mittels Ferngreifer ist keine vollautomatische Prozessführung komplizierter Abläufe, wie z. B. bei mehrstufigen chemischen Synthesen möglich. Vollautomatische Systeme (z. B. Synthesemodule, Dispenser, Roboter) werden innerhalb der Abschirmung betrieben (S. Zeichnung) und vergrößern daher das abzuschirmende Volumen und somit die Masse der nötigen Abschirmung erheblich.
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Der Stand der Technik auf dem Gebiet der vollautomatischen Prozessführung von physikalischen und chemischen Operationen an radioaktiven Flüssigkeiten innerhalb von Abschirmungen ist dadurch charakterisiert, dass es zwar vollautomatische Systeme wie Roboter, Synthesegeräte und Abfüllanlagen gibt, bei diesen sich jedoch alle zur Bewegung von Komponenten erforderlichen Bauteile permanent innerhalb der Abschirmung befinden. Vor allem Synthesemodule zum Betrieb von Einwegkassetten werden bis auf die Steuerungseinheit komplett innerhalb der Abschirmung installiert (vgl. 1)
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Die Nachteile der bisher vorhandenen Lösungen liegen unter anderem in folgendem:
- – Innerhalb der Abschirmung betriebene Komponenten vergrößern das abzuschirmende Volumen und somit die Masse der nötigen Abschirmung erheblich.
- – Elektrische und elektronische Bauteile sind innerhalb der Abschirmung schutzlos der Radioaktivität ausgesetzt und werden durch Strahlungseinwirkung angegriffen oder zerstört.
- – Eine radioaktive Kontamination von permanent installierten Bauteilen innerhalb der Abschirmung kann zu erhöhten Strahlendosen innerhalb der Abschirmung führen. Kontaminierte Bauteile müssen unter erheblichem Aufwand gereinigt oder entsorgt werden.
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Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zur automatischen Handhabung radioaktiver Stoffe bereitzustellen, welche die oben beschriebenen Mängel behebt und insbesondere eine flexiblere Einsetzbarkeit einer solchen Anordnung gestattet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale in Anspruch 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Die flexible Einsetzbarkeit der erfindungsgemäßen Anordnung wir dadurch erreicht, dass die Anordnung zur automatischen Handhabung radioaktiver Stoffe mindestens eine Abschirmeinheit, mindestens eine Handhabungseinheit und mindestens eine Bedieneinheit umfasst. Die mindestens eine Abschirmeinheit ist dabei so ausgelegt, dass radioaktive Strahlung, die von im Inneren der mindestens einen Abschirmeinheit befindlichen Substanzen oder Stoffe ausgeht, in einem vorgebbaren Maße abgeschwächt wird oder nur in einer vorgebbaren Intensität nach außen dringt. Bei diesen Vorgaben kann es sich um freie oder gesetzliche Vorgaben handeln. Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass eine Abschirmung in alle Raumrichtungen mit einer Dosisrate von weniger als 10 μSv/h an der Oberfläche außen der mindestens einen Abschirmeinheit realisiert wird. Vorzugsweise ist die mindestens eine Abschirmeinheit aus einem Material mit hoher spezifischer Dichte gefertigt. Als vorteilhaft erweist es sich, wenn das Material Blei, Wolfram oder Uran zumindest enthält. Die erfindungsgemäße Anordnung, insbesondere die mindestens eine Abschirmeinheit, weist keinen Strahlenpass auf. Die mindestens eine Abschirmeinheit ist vorzugesweise als sogenannte „Heiße Zelle” ausgebildet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die mindestens eine Abschirmeinheit einen Abfallbehälter, der der Aufbewahrung unerwünschter Reste von radioaktiven Stoffen dient, die bei der Handhabung anfallen. Der abgeschirmte Abfallbehälter kann im Innern oder an der Außenwand der mindestens einen Abschirmeinheit angeordnet sein.
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Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass die mindestens eine Handhabungseinheit zumindest während der Handhabung innerhalb der mindestens einen Abschirmeinheit und die mindestens eine Bedieneinheit außerhalb der mindestens einen Abschirmeinheit angeordnet sind. Das hat insbesondere den Vorteil, dass die Abmessungen und daher auch das Gewicht der mindestens einen Abschirmeinheit im Vergleich zu den herkömmlichen „Heißen Zellen” erheblich reduziert werden. Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass ausschließlich die mindestens eine Handhabungseinheit oder Teile der mindestens einen Handhabungseinheit mit radioaktiven Stoffen in Kontakt kommen, nicht aber die mindestens eine Abschirmeinheit oder die mindestens eine Bedieneinheit. Das ist insbesondere deshalb von Vorteil, weil so die außerhalb der mindestens einen Abschirmeinheit befindliche Teile nicht der radioaktiven Strahlung ausgesetzt werden und darüber hinaus auch die mindestens eine Abschirmeinheit nur gering mit Radioaktivität kontaminiert wird. Dadurch wird erreicht, dass die Vorrichtung nach Beendigung einer Handhabung schnell wieder für die nächste Anwendung bereitsteht, da keine aufwendige Dekontaminierung erforderlich ist.
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Bei der mindestens einen Bedieneinheit kann es sich beispielsweise um eine oder mehrere Antriebseinheiten, Motoren und/oder elektrische oder elektronische Bauteile handeln. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass für spezielle Komponenten der mindestens einen Handhabungseinheit, wie z. B. Hahnbank, Spritze, Heizreaktor o. dgl., jeweils eine spezielle Antriebseinheit eingesetzt wird. So sind in einer bevorzugten Ausführungsform die Antriebseinheiten beispielsweise als Steuermodul für eine Hahnbank, Steuermodul zur Bedienung einer Spritze oder Steuermodul zum Betreiben eines Heizmoduls realisiert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mindestens eine Handhabungseinheit modular aufgebaut ist. Vorzugsweise umfasst die mindestens eine Handhabungseinheit mindestens eine der folgenden Komponenten oder Module (allein oder in Kombination): Verteilungsmittel, wie z. B. Hahnventile, insbesondere eine oder mehrere Hahnventilbänke, Spritzen, Verbindungselemente, insbesondere Schläuche, Gefäße, insbesondere mit Prozesschemikalien gefüllte Gefäße oder Produktgefäße, eine Reinigungseinheit, wie z. B. eine Reinigungskartusche, Filter, Befestigungselemente, wie beispielsweise eine Halterung, oder dergleichen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass mehrere Komponenten zu einer Einheit zusammengefasst sind. Beispielsweise können Hahnventile oder Hahnbänke mit einem Befestigungselement zu einer sogenannten Kassette kombiniert sein. Neben Hahnventilen oder einer oder mehreren Hahnbänken kann eine Kassette auch noch eine oder mehrere Spritzen umfassen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass zumindest ein Teil der Komponenten als Einwegkomponenten ausgebildet ist. Vorzugsweise werden Einwegkassetten eingesetzt.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Bedienung der mindestens einen Handhabungseinheit mit Hilfe der außerhalb der mindestens einen Abschirmeinheit angeordneten mindestens einen Bedieneinheit. Hierfür werden Mittel zur Kraftübertragung, wie beispielsweise Achsen, durch eine Wand der mindestens einen Abschirmeinheit hindurchgeführt. Im Inneren der mindestens einen Abschirmeinheit sind die Mittel zur Kraftübertragung mit der mindestens einen Handhabungseinheit form- oder kraftschlüssig gekoppelt. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass zumindest ein Teil der Mittel zur Kraftübertragung und der mindestens einen Handhabungseinheit lösbar miteinander verbunden sind. Als vorteilhaft erweist es sich, wenn zumindest ein Teil der Durchführungen für die Mittel zur Kraftübertragung in Abstimmung auf zumindest einen Teil der mindestens einen Handhabungseinheit realisiert sind. In einer bevorzugten Ausführungsform sind hierfür (standardisierte) Rastermaße vorgesehen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil der Durchführungen so ausgelegt ist, dass bestimmte Module der mindestens einen Handhabungseinheit mit diesen Durchführungen korrespondieren. Beispielsweise können die Durchführungen für eine oder mehrere Hahnbänke, Spritzenmodule, Kassetten, Verbindungselemente, Gefäße oder dergleichen ausgelegt sein, so dass diese Komponenten bzw. Module in einfacher Weise mit den durch die Durchführungen hindurchgeführten Mitteln zur Kraftübertragung kombiniert, beispielsweise auf diese aufgesteckt werden können.
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Die Durchführungen können einen Gebrauchs- und einen Nichtgebrauchszustand aufweisen. Im Gebrauchszustand ist ein Mittel zur Kraftübertragung in der Durchführung angeordnet und verbindet die mindestens eine Bedieneinheit und die mindestens eine Handhabungseinheit miteinander oder stellt im Inneren der mindestens einen Abschirmeinheit eine Möglichkeit zur Verbindung mit der mindestens einen Handhabungseinheit bereit. Im Nichtgebrauchszustand ist kein Mittel zur Kraftübertragung in der Durchführung angeordnet. Im Nichtgebrauchszustand sind vorzugsweise Einsatzelemente in der Durchführung angeordnet, die insbesondere der Abschirmung dienen. Sowohl im Gebrauchs- als auch im Nichtgebrauchszustand weisen die Durchführungen keinen Strahlenpass auf. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Mittel zur Kraftübertragung Abschirmelemente aufweisen, die sich bei Gebrauch außerhalb der mindestens einen Abschirmeinheit befinden und die Durchführung vollständig abdecken. Ebenso weisen die Einsatzelemente einen Abdeckbereich auf, der die Durchführung vollständig abdeckt, wenn das Einsatzelement sich in der Durchführung befindet. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Abschirmelemente und/oder die Abdeckbereiche als die Durchführung überlappend ausgebildet. Vorzugsweise sind die Abschirmelemente und/oder die Abdeckbereiche aus einem Material mit hoher spezifischer Dichte gefertigt. Als vorteilhaft erweist es sich, wenn das Material Blei, Wolfram oder Uran zumindest enthält. Ein besonderer Vorteil des Gebrauchs- und Nichtgebrauchszustands besteht darin, dass die Durchführungen in Abstimmung mit den für die Handhabung erforderlichen Bedien- und Handhabungsmitteln genutzt werden können. Vorzugsweise werden Mittel zur Kraftübertragung nur durch die Durchführungen hindurchgeführt, wenn dies für die Handhabung erforderlich ist. Die mindestens eine Abschirmeinheit kann Durchführungen in allen Wänden, vorzugsweise aber in den Seitenwänden und der Decke, aufweisen. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine Abschirmeinheit mit einer Tür, vorzugsweise einer Schiebetür, ausgestattet. In diesem Falle erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Schiebetür keine Durchführungen aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine Abschirmeinheit luftdicht ausgeführt. Durchführungen und Türen sind entsprechend abgedichtet.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung sieht vor, dass die Vorrichtung mit Unterdruck betreibbar ist.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung sieht vor, dass ein laminarer Fluss, d. h. turbulenzarme Verdrängungsströmung der Luft, innerhalb der mindestens einen Abschirmeinheit realisierbar ist. Dafür ist vorgesehen, dass die mindestens eine Abschirmeinheit mit einem Umluftsystem mit Filter ausgestattet ist, wobei die oder der Filter vorzugsweise gegen Strahlung abgeschirmt ist.
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Bei der Handhabung kann es sich um die Durchführung physikalischer und/oder chemischer Operationen, die Durchführung einer vorzugsweise mehrstufigen Synthese, wie beispielsweise einer (mehrstufigen) chemischen Synthese, handeln. Ein Beispiel einer Synthese könnte die Synthese von Radiodiagnostika wie PET-Tracern (PET = Positronenemmissionstomographie) sein. Die Handhabung erfolgt vorzugsweise automatisch, besonders bevorzugt vollautomatisch, Zur Steuerung der Handhabung, insbesondere zur Steuerung der mindestens einen Bedieneinheit, umfasst die Vorrichtung vorzugsweise mindestens eine Datenverarbeitungseinrichtung.
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Die Erfindung vermeidet die Nachteile des Standes der Technik, indem nur Halterungen für Einwegkassetten und die Einwegkassetten selbst innerhalb der Abschirmung angebracht sind. Dies führt zu einer erheblichen Reduzierung in dem Volumen und der Masse der Abschirmung gegenüber der nötigen Abschirmung für existierende auf Einwegkassetten basierende Synthesemodule. Elektrische und elektronische Bauteile sind außerhalb der Abschirmung vor der Radioaktivität geschützt. im Falle einer Kontamination können Einwegkassetten leicht entnommen und entsorgt werden.
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Nachstehend wird die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine „Heiße Zelle” nach dem Stand der Technik,
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2 einen Aufbau einer beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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3 eine weitere beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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4 eine Veranschaulichung des Zusammenwirkens einer Kassette mit zwei Hahnbänken mit den Achsen einer Ansteuereinheit,
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5 ein Beispiel einer Einwegkassette mit zwei Hahnbänken und
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6 ein Beispiel einer Einwegkassette mit drei Hahnbänken.
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Im Folgenden soll die Erfindung am Beispiel eines Synthesemoduls in größerem Detail beschrieben werden. Dabei ist jedoch zu beachten, dass die Erfindung nicht auf eine Vorrichtung zur Durchführung einer Synthese unter Beteiligung von radioaktiven Stoffen beschränkt ist, sondern Vorrichtungen zu anderen Handhabungen radioaktiver Stoffe ebenso von der Erfindung umfasst werden, solange die Vorrichtung nur alle Merkmale des unabhängigen Anspruchs aufweist.
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Bevor die Erfindung näher erläutert wird, soll noch einmal kurz der Stand der Technik auf dem Gebiet der Erfindung dargestellt werden. Synthesemodule 100 für eine automatische oder vollautomatische Verarbeitung radioaktiver Stoffe werden aus Strahlenschutzgründen herkömmlicherweise komplett innerhalb einer nach allen Raumrichtungen abgeschlossenen Abschirmung 102 („Heiße Zelle”) betrieben. In 1 ist ein Synthesemodul 100 für Einwegkassetten 104 dargestellt, wobei ein Teil der Abschirmung nicht dargestellt ist. Wie in 1 veranschaulicht, sind alle für die kinematische Bedienung der Komponenten der Einwegkassetten 104 erforderlichen Bauteile permanent innerhalb der Abschirmung 102 angeordnet. Eine Ausnahme bilden möglicherweise Datenverarbeitungseinrichtungen wie z. B. Steuereinheiten, die zum Teil auch außerhalb der Abschirmung eingesetzt werden.
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Im Gegensatz zu den herkömmlichen Lösungen ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass lediglich solche Teile eines Synthesemoduls 200 im inneren einer Abschirmung 202 angeordnet sind, welche mit radioaktiven Stoffen in Kontakt kommen. Solche Teile sind beispielsweise Kassetten 204 mit Hahnbänken und/oder Spritzen 206. Die Kassetten 204 mit Hahnbänken und/oder die Spritzen 206 werden in der beispielhaften Ausführungsform an Halterungen 208, 210 befestigt. Diese Halterungen 208, 210 sind vorzugsweise aus der Abschirmung 202 entfernbar. Das in 2 dargestellt Synthesemodul 200 weist als Bedieneinheiten drei Antriebseinheiten 212 auf, die über Achsen 214 mit den Kassetten 204 mit Hahnbänken und der Spritze 206 verbunden sind. Die Antriebseinheiten 212 sind außerhalb der Abschirmung 202 angeordnet. Die Achsen 214 der Antriebseinheiten 212 werden durch die Seitenwände und durch die Decke der Abschirmung geführt. Die Achsen 214 weisen weiter Abschirmelemente 216 auf, die die Durchführungen vollständig abdecken und verhindern, dass durch die Durchführung Strahlung nach außen dringt (vgl. 2). Erfindungsgemäß schirmt die Abschirmung 202 während der Handhabung die Strahlung in alle Raumrichtungen ab. Allein für eine bessere Veranschaulichung ist in 2 ein Teil der Abschirmung nicht dargestellt.
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In 3 ist eine weitere beispielhafte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Das in 3 dargestellt Synthesemodul 300 ist ebenfalls mit Antriebseinheiten 212 ausgestattet. Allerdings sind im Inneren der Abschirmung 202 noch keine Komponenten zur Durchführung der Synthese angeordnet. Das beispielhafte Synthesemodul 300 weist eine Tür 302 auf, durch die der Zugang zum Inneren der Abschirmung 202 ermöglicht wird. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Tür 302 als Schiebetür realisiert.
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4 zeigt in einer Detaildarstellung das Zusammenwirken von Antriebseinheit 212, Achsen 214, Halterung 208 und einer Kassette 204 mit zwei Hahnbänken 402.
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Zwei Beispiele von Einwegkassetten 500, 600 sind in den 5 und 6 angegeben. In 5 ist eine Einwegkassette 500 wiedergegeben, die mit zwei Hahnbänken 402, einer Spritze 206 und vier Gefäßen 502 über eine Verschlauchung 504 kombiniert ist. Die Gefäße 502 können Prozesschemikalien enthalten oder als (abgeschirmtes) Produktgefäß dienen, in das das fertige Produkt abgefüllt wird. Die in 6 dargestellt Einwegkassette 600 ist mit drei Hahnbänken 402 kombiniert. Die Ausgestaltung und Ausstattung der Einwegkassetten 500, 600 hängt von den durchzuführenden Syntheseschritten ab. Die eingesetzten Antriebseinheiten 212, Halterungen 208, 210 und genutzten Durchführungen werden vorzugsweise ebenfalls in Abhängigkeit der jeweils durchzuführenden Syntheseschritte gewählt.
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Um das Bedienpersonal und die Umwelt bei der Handhabung von radioaktiven Substanzen mit hohen Aktivitäten vor der radioaktiven Strahlung zu schützen, werden Abschirmungen 202 aus Materialien mit hoher spezifischer Dichte wie z. B. Blei, Wolfram oder Uran und mit erforderlichen Wandstärken von mindestens 5 Zentimetern eingesetzt. Die Abschirmungen 202 müssen die Strahlung in alle Raumrichtungen signifikant reduzieren und dürfen keinen Strahlenpass aufweisen. Um Abmaße und Gewicht der Abschirmung 202 zu reduzieren, werden nach der vorliegenden Erfindung nur die mit der radioaktiven Flüssigkeit in Kontakt stehenden Teile, wie beispielsweise Hahnbänke 402, Spritzen 206, Verschlauchung 504 oder Gefäße 502, der vollautomatischen Apparatur innerhalb der Abschirmung 202 platziert und alle nötigen Manipulationen werden durch die Abschirmung 202 hindurch von außerhalb befindlichen Komponenten, insbesondere von Antriebseinheiten 212 und einer oder mehrerer Steuereinheiten, durchgeführt. Hierzu werden beispielsweise Kassetten 204 bestehend aus Hahnventilen oder Hahnventilbänken 402 sowie einer oder mehrerer Spritzen 206 an innerhalb der Abschirmung 202 befindlichen Halterungen 208, 210 angebracht. Die Hähne einzeln oder in einer Hahnbank 402 werden durch Achsen 214 von den außen befindlichen Motoren angetrieben. Die Spritzen 206 werden ebenfalls über Antriebe von außen bedient. Die Durchführungen aller Antriebseinheiten 212 zu den angetriebenen Einheiten sind ohne Strahlenpass so ausgelegt, das sich keine Verminderung der Abschirmwirkung ergibt. Insbesondere weisen die Achsen hierfür Abschirmelemente 216 auf. Durch eine Tür 302 kann die Abschirmung 202 geöffnet werden (vgl. 3), die Kassetten 204 bestehend aus Hähnen, Hahnbänken 402, Schläuchen, Verbindungsstücken, Gefäßen 502 (gefüllt mit Prozesschemikalien), Produktgefäß, Reinigungskartuschen, Filtern, Spritzen 206 etc. (vgl. 5 und 6) werden in die Halterungen 208, 210 eingelegt und die Tür 302 geschlossen. Über ein vollautomatisches, computergesteuertes System werden nun alle zur Durchführung der physikalischen und chemischen Operationen nötigen Schritte von außerhalb der Abschirmung 202 durch die Abschirmung 202 hindurch durchgeführt. Nach Beendigung der durchzuführenden Prozesse wird das gewünschte Produkt in ein abgeschirmtes Gefäß 502 überführt und unerwünschte Reste an radioaktiver Flüssigkeit werden bestmöglich in ein ebenfalls abgeschirmtes Abfallgefäß innerhalb oder außerhalb der Abschirmung 202 des Systems gespült. Durch diese Vorgehensweise ist es möglich die Tür 302 der Abschirmung 202 kurz nach dem Prozess gefahrlos zu öffnen, das Produkt zu entnehmen, die nur mit geringer Radioaktivität belasteten Kassetten 204 schnell zu entsorgen und somit das System für die nächste Anwendung einsatzbereit zu machen.
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Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch gegenüber herkömmlichen Lösungen aus, dass erfindungsgemäß ein Teil der, vorzugsweise alle, zur Bewegung von Komponenten des Synthesemoduls 200, 300 erforderlichen Bauteile außerhalb der Abschirmung 202 angeordnet ist.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführungsform nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, die von der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
