DE69918126T2

DE69918126T2 - Probenwechsler zum Transfer Radioaktiver Proben zwischen einer heissen Zelle und einer Messvorrichtung

Info

Publication number: DE69918126T2
Application number: DE69918126T
Authority: DE
Inventors: Herbert Ottmar; Georges Dockendorf
Original assignee: EUROP COMMUNITY BRUESSEL BRUXE; European Community EC Belgium
Current assignee: EUROP COMMUNITY BRUESSEL BRUXE; European Community EC Belgium
Priority date: 1998-08-05
Filing date: 1999-07-28
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2019-07-29
Also published as: PT1102980E; EP1102980A1; US6630679B1; DK1102980T3; EP1102980B1; JP4328024B2; WO2000008450A1; LU90270B1; NO20010612D0; JP2002522765A; DE69918126D1; ES2222037T3; ATE269539T1; NO20010612L; CA2339645A1

Description

Einleitung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Probenwechsler zum Transfer radioaktiver Proben zwischen einer heißen Zelle und einer Messvorrichtung. Sie bezieht sich insbesondere auf einen solchen Probenwechsler zur Verwendung mit einem Hybrid-K-Kanten-Densitometer sowie auch auf eine Hybid-K-Kanten-Densitometer-Messanlage.
Eine Messanlage mit Hybrid-K-Kanten-Densitometer (HKED), die die Bestimmung von Uran- und Plutoniumkonzentrationen in Flüssigkeiten ermöglicht, die beispielsweise nach Auflösung verschiedener Arten von Kernmaterialien (z. B. bestrahlte Reaktorbrennstoffe) gewonnen werden, wird in folgender Veröffentlichung beschrieben: „The Hybrid K-Edge/K-XRF Densitometer: Principles – Design – Performance"; H. Ottmar, H. Eberle; Bericht KfK 4590, Februar 1991, Kernforschungszentrum Karlsruhe.
Diese dem Stand der Technik entsprechende HKED-Messanlage umfasst: eine heiße Zelle zur sicheren Handhabung der zu messenden Proben mit Telemanipulatoren; die HKED-Messvorrichtung selbst, die außerhalb der heißen Zelle angeordnet ist; und ein Probentransferrohr, das die Messvorrichtung mit der heißen Zelle verbindet. Dieses Probentransferrohr besteht aus einem Edelstahlrohr mit 8 cm Außendurchmesser, das von der Messvorrichtung durch einen vorhandenen Adapterflansch hindurch in die heiße Zelle verläuft. Es umfasst eine Be-/Entladeöffnung in der heißen Zelle und einen Messfensterteil, den Röntgen-Messstrahlen in der Messvorrichtung durchqueren. Ein Transferkanal verläuft von der Be-/Entladeöffnung aus axial durch das Edelstahlrohr in den Messfensterteil. Er besitzt einen rechteckigen Querschnitt, um einen aus einem Block bestehenden Schlitten so aufzunehmen, dass Letzterer leicht durch den Transferkanal gleiten kann. Dieser aus einem Block bestehende Schlitten hat eine einzelne Kammer, um darin einen Aufnahmebehälter unterzubringen, der zwei Phiolen mit der zu messenden Probe enthält. Der hintere Endteil des Edelstahlrohrs ist verschlossen und enthält einen Mikroschalter und einen Magneten.
Der Behälter mit der Probe wird zur Messung in der dem Stand der Technik entsprechenden HKED-Anlage in dem Schlitten positioniert, wenn dieser sich in der Be-/Entladeöffnung des Probentransferrohrs befindet. Der Schlitten wird dann von der Be-/Entladeöffnung aus durch den Transferkanal des Probentransferrohrs hindurch in den Messfensterteil bewegt. Der Bediener muss zur Durchführung dieses Transfers mit den Telemanipulatoren der heißen Zelle eine ungefähr 80 cm lange Stange handhaben, um den Schlitten durch den Transferkanal hindurch zu seiner Messposition im Messfensterteil zu bewegen. Der Schlitten betätigt, wenn er in der Messposition positioniert wird, den Mikroschalter im hinteren Endteil des Transferrohrs und ermöglicht dadurch den Messvorgang. Der Magnet im hinteren Endteil des Transferrohrs hält den Schlitten während der Messung an seinem Platz und sorgt demzufolge für eine reproduzierbare Positionierung der Probe in den Messstrahlen. Der Bediener benutzt nach dem Ende der Messung wieder die Telemanipulatoren und die Stange, um den Schlitten in die Be-/Entladeöffnung zurückzuziehen, wo der Behälter mit den Proben aus dem Schlitten herausgehoben wird.
Das Probentransferrohr der dem Stand der Technik entsprechenden HKED-Anlage hat unbestreitbar folgende Vorteile:

• es stellt einen sicheren Behälter für den Transfer der Proben zwischen der heißen Zelle und der Messvorrichtung dar;
• es ermöglicht eine sehr hohe Funktionssicherheit unter den schwierigen Umgebungsbedingungen in der heißen Zelle, die sich beispielsweise durch Säuredämpfe und extrem starke Gammastrahlung ergeben;
• es ist sehr kompakt, so dass man es in einem Standard-Flanschadapter einer heißen Zelle befestigen kann;
• mit ihm lässt sich der Brennfleck einer abgeschirmten Röntgenröhre im Messfensterteil in sehr kurzer Entfernung von der Mitte der zu messenden Probe positionieren; und
• es gewährleistet eine sehr genaue, reproduzierbare Positionierung der Probe in der Messposition, ohne dabei auf elektrische oder elektronische Geräte angewiesen zu sein, die außerhalb des Sicherheitsbehälters angeordnet sind.

Ein Hauptnachteil des dem Stand der Technik entsprechenden Probentransferrohrs besteht darin, dass die Probe nach einer Messung manuell gewechselt werden muss.
Ziel der Erfindung
Ein der vorliegenden Erfindung zugrunde liegendes technisches Problem ist die Automatisierung des Transfers und Austauschs von Proben zwischen der heißen Zelle und der außerhalb der heißen Zelle angeordneten Messvorrichtung, während generell die oben angegebenen Vorteile des manuell bedienten Probentransferrohrs beibehalten werden. Dieses Problem wird durch einen Probenwechsler nach Anspruch 1 gelöst.
Allgemeine Definition der Erfindung
Der Probenwechsler der vorliegenden Erfindung umfasst: einen rohrförmigen Sicherheitsbehälter mit einer Be-/Entladeöffnung, die in die heiße Zelle eingeführt ist; einen Transferteil, der sich in die Messvorrichtung außerhalb der heißen Zelle erstreckt; einen Messfensterteil, der von einem Messstrahl in der Messvorrichtung durchquert wird; und einen verschlossenen hinteren Endteil, der an dem der Be-/Entladeöffnung gegenüberliegenden Ende angeordnet ist. In einem Transferkanal, der axial durch den rohrförmigen Sicherheitsbehälter zwischen der Be-/Entladeöffnung und dem Messfensterteil verläuft, ist ein Aufnahmekörper mit mindestens einer Kammer angeordnet, die die radioaktive Probe aufnimmt. Dieser Aufnahmekörper kann mit den Telemanipulatoren be- und entladen werden, wenn er in der Be-/Entladeöffnung in der heißen Zelle positioniert ist. Gemäß einem wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Gewindespindel drehbar in einem Spindelkanal untergebracht, der in dem rohrförmigem Sicherheitsbehälter unter dem Transferkanal angeordnet ist. Diese Gewindespindel verläuft zwischen der Be-/Entladeöffnung und dem Messfensterteil. Ein Schrittmotor ist an der Außenseite des rohrförmigen Sicherheitsbehälters angeordnet und mit der Gewindespindel über eine Kupplung verbunden, die abdichtend durch den verschlossenen hinteren Endteil des rohrförmigen Sicherheitsbehälters hindurchgeht. Ein längs geführter Tragschlitten, der den Aufnahmekörper im Transferkanal hält, ist mit der Gewindespindel in Eingriff gebracht, um so bei Drehung der Spindel einer translatorischen Bewegung ausgesetzt zu werden. Daraus folgt, dass der Transfer der Proben von der heißen Zelle in die Messvorrichtung und umgekehrt vollständig automatisiert werden kann und keine fernbediente Handhabung mit Telemanipulatoren mehr erfordert. Der Linearantrieb, der zur Automatisierung des Probentransfers in dem Probenwechsler der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist sehr funktionssicher und kann die Proben mit ausgezeichneter Genauigkeit in der Messvorrichtung positionieren. Er ist so in den Probenwechsler integriert, dass der Querschnitt des Sicherheitsbehälters in Bezug auf ein herkömmliches Probentransferrohr mit manuellem Probentransfer nicht vergrößert werden muss. Demzufolge kann der Probenwechsler in einem vorhandenen Adapterflansch der heißen Zelle eingebaut werden, wie bei dem dem Stand der Technik entsprechenden Transferrohr. Nicht zuletzt versteht es sich insbesondere, dass der Probenwechsler der vorliegenden Erfindung durch eine strikte Trennung der elektrischen und mechanischen Komponenten seines Antriebs gekennzeichnet ist. In dem Alpha-Sicherheitsbehälter der heißen Zelle mit ihren agressiven Umgebungsbedingungen (Strahlung, Säuredämpfe, ...) sind nur ausfallsichere mechanische Komponenten untergebracht. Die elektrischen Komponenten wie beispielsweise der Schrittmotor sind außerhalb des Sicherheitsbehälters angeordnet, so dass sie zwecks Wartung und Austausch leicht zugänglich sind.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst der Probenwechsler ferner eine Einsteck-Kupplungsvorrichtung, um ein Ende der Gewindespindel an die Kupplung anzukuppeln, und einen Lagerbock, um das gegenüberliegende Ende der Gewindespindel zu halten. Dieser Lagerbock ist verschiebbar im Spindelkanal befestigt, und der Spindelkanal ist axial von der heißen Zelle aus zugänglich, so dass die Gewindespindel und ihr Lagerbock axial aus dem Spindelkanal heraus- und in die heiße Zelle hineinbewegt werden können. Daraus folgt, dass die verunreinigten mechanischen Komponenten des Linearantriebs – zu Wartungs- und/oder Austauschzwecken – sicher mithilfe der Telemanipulatoren herausgezogen und in die heiße Zelle eingeführt werden können.
Der Tragschlitten umfasst vorzugsweise gewindete Eingriffmittel, die ausschließlich die obere Hälfte der Gewindespindel in Eingriff bringen, damit er problemlos mit Telemanipulatoren ohne Entfernen der Spindel abmontiert werden kann. Daraus folgt, dass sich der Schlitten mit den Telemanipulatoren einfach aus der Gewindespindel herausheben lässt.
Der Tragschlitten schließt in einer bevorzugten Ausführung zwei Stützblöcke ein, wobei jeder dieser Stützblöcke eine zylindrisch gekrümmte Gewinde oberfläche umfasst, die ausschließlich die obere Hälfte der Gewindespindel in Eingriff bringt. Dieser Block ruht vorteilhafterweise mittels nach unten ausgerichteter Läufer auf zwei seitlichen Stützflächen im Spindelkanal und wird seitlich im Spindelkanal geführt.
Der Tragschlitten und der Aufnahmekörper könnten natürlich auch zusammenmontiert sein, um so ein einzelnes Element zu bilden. Um Wartungen zu erleichtern und die Verwendung verschiedener Arten von Aufnahmekörper zu ermöglichen, wird jedoch vorgeschlagen, den Aufnahmekörper und den Schlitten als zwei voneinander unabhängige Elemente zu verstehen, wobei ineinander greifende Mittel am Aufnahmekörper und am Tragschlitten zusammenwirken, um den Aufnahmekörper reproduzierbar auf dem Tragschlitten zu positionieren. Der Aufnahmekörper kann also von dem Tragschlitten entfernt werden, ohne dass dadurch die Positionsgenauigkeit beeinträchtigt wird. Der Tragschlitten schließt in einer bevorzugten Ausführung beispielsweise eine Stützplatte ein, die die Stützblöcke miteinander verbindet und als Stützfläche für den Aufnahmekörper dient, wobei der Aufnahmekörper und die Stützplatte ineinander greifende Mittel einschließen, die zusammenwirken, um den Aufnahmekörper reproduzierbar auf der Stützplatte zu positionieren.
Der Aufnahmekörper ist in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ein Magazin, das mehrere axial ausgerichtete Kammern enthält. Steuerungsmittel steuern den Schrittmotor, um so jede der verschiedenen Kammern des Magazins anschließend in dem Messstrahl zu justieren. Es versteht sich, dass mit einem solchen Probenwechsler mehrere Messproben vollautomatisch gemessen werden können.
Die Steuerungsmittel umfassen, damit die verschiedenen Kammern des Probenmagazins reproduzierbar im Messstrahl positioniert werden können, vorteilhafterweise eine Schlitzöffnung im Magazin sowie Computermittel, die betreibbar mit Mitteln zur Messung der Intensität des durch die Schlitzöffnung fallenden Messstrahls und mit dem Schrittmotor zusammengeschaltet sind. Die Schlitzöffnung wird durch den Messstrahl geführt, und die Computermittel berechnen eine endgültige Referenzposition des Schrittmotors, die der Schrittmotorposition entspricht, bei der die Intensität des durch die Schlitzöffnung fallenden Messstrahls das Maximum hat. Diese endgültige Referenzposition wird dann dazu benutzt, die Anzahl der Schritte zu berechnen, die der Schrittmotor durchführen muss, um jede der Kammern des Magazins exakt im Messstrahl zu positionieren.
Der Probenwechsler umfasst zur leichteren Positionierung mit der Schlitzöffnung ferner einen Lagedetektor, der von dem Tragschlitten auszulösen ist, wenn sich Letzterer in einer vorbestimmten Position im Messfensterteil befindet. Computermittel, die betreibbar mit dem Lagedetektor und dem Schrittmotor zusammengeschaltet sind, berechnen eine Anfangs-Referenzposition des Schrittmotors, die der Position des Schrittmotors entspricht, bei der der Lagedetektor durch den Tragschlitten ausgelöst wird. Diese Anfangs-Referenzposition dient dann dazu, die Anzahl der Schritte zu berechnen, die der Schrittmotor durchführen muss, um die Schlitzöffnung in einem vorbestimmten Abstand zum Messstrahl zu positionieren. Der Lagedetektor ist vorzugsweise ein induktiver Lagedetektor, der in einer lecksicheren Schutzhülle im hinteren Endteil des Sicherheitsbehälters untergebracht ist und die Anwesenheit eines vorspringenden Metallstücks erfasst, das an dem Transferschlitten befestigt ist.
Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung auch eine Messanlage mit Hybrid-K-Kanten-Densitometer (HKED) für automatisierte Messungen von hochradioaktiven Materialien vorsieht.
Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1: einen schematischen Querschnitt durch eine Hybrid-K-Kanten-Densitometer-Messanlage (HKED-Messanlage) mit einem erfindungsgemäßen Probenwechsler;
2: eine Draufsicht des Probenwechslers;
3: eine Seitenansicht des Probenwechslers;
4: eine Endansicht des Probenwechslers in Richtung des Pfeils 4 in den 2 und 3;
5: eine Querschnittsdarstellung des Probenwechslers, wobei der Querschnitt durch die Pfeile 5, 5' in den 2 und 3 gekennzeichnet ist;
6: eine Querschnittsdarstellung des Probenwechslers, wobei der Querschnitt durch die Pfeile 6, 6' in den 2 und 3 gekennzeichnet ist;
7: eine Querschnittsdarstellung des Probenwechslers, wobei der Querschnitt durch die Pfeile 7, 7' in den 2 und 3 gekennzeichnet ist;
8: eine Detailansicht, die einen Längsschnitt durch den Probenwechsler zeigt, wobei der Längsschnitt durch die Pfeile 8, 8' in den 2 und 3 gekennzeichnet ist;
9: eine Detailansicht, die einen Längsschnitt durch den Probenwechsler zeigt, wobei der Längsschnitt durch die Pfeile 9, 9' in den 2 und 3 gekennzeichnet ist;
10: einen Aufriss eines Probenmagazins für den Probenwechsler;
11: eine Draufsicht des Probenmagazins von 10;
12: eine Endansicht des Probenmagazins von 10; und
13: eine Endansicht eines Spezialschlittens, der zur Verwendung des Probenwechslers als manuelles Transferrohr zu verstehen ist.
Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführung der Erfindung
1 zeigt schematisch eine Messanlage, die eine abgeschirmte Messvorrichtung 10 umfasst, die mittels eines erfindungsgemäßen Probenwechslers 14 mit einer abgeschirmten heißen Zelle 12 verbunden ist.
Die in 1 als Beispiel dargestellte Messvorrichtung ist ein Hybrid-K-Kanten-Densitometer (HKED), d. h. ein spezielles Röntgenspektrometer, das für die Analyse von Uran- und Plutoniumkonzentrationen in Flüssigkeiten ausgelegt ist, die nach Auflösung verschiedener Arten von Kernmaterialien (z. B. bestrahlte Reaktorbrennstoffe) gewonnen werden. Hinsichtlich weiterer Einzelheiten in Bezug auf die Vorrichtung und die Messmethoden wird auf folgendes Dokument hingewiesen: „The Hybrid K-Edge/K-XRF Densitometer: Principles – Design – Performance"; H. Ottmar, H. Eberle; Bericht KfK 4590, Kernforschungszentrum Karlsruhe (1991).
Die heiße Zelle 12 ist eine gut abgeschirmte, eingeschlossene Kammer, in der hochradioaktive Materialien mit Telemanipulatoren 16 sicher gehandhabt werden können. Die Umgebung in der heißen Zelle ist gekennzeichnet durch hochkorrosive Säuredämpfe und extrem starke Gammastrahlung. In einer Wand 20 der heißen Zelle 12 ist gegenüber den Telemanipulatoren 16 ein Standard-Adapterflansch 18 angeordnet. Ein Vorderende eines rohrförmigen Sicherheitsbehälters 22 führt durch den Standard-Adapterflansch 18 hindurch in die heiße Zelle 12. Der größere Teil des rohrförmigen Sicherheitsbehälters 22 ragt jedoch aus der heißen Zelle 12 heraus, wodurch ein sicherer, leckdichter Sicherheitsbehälter bereitgestellt wird, der in einen Hohlraum in der abgeschirmten, außerhalb der heißen Zelle 12 angeordneten Messvorrichtung 10 hineinführt.
Weiterhin Bezug nehmend auf 1, kennzeichnet das Bezugszeichen 24 ein Magazin, das in einer Be-/Entladeöffnung am Vorderende des Probenwechslers in der heißen Zelle 12 angeordnet ist. Dieses Magazin 24 enthält sechs Aufnahmebehälter 26 für Messproben, die mit den Telemanipulatoren 16 in das in der Be-/Entladeöffnung positionierte Magazin gesteckt wurden. Der Probenwechsler 14 transportiert das Magazin 24 automatisch durch einen Kanal 28 des rohrförmigen Sicherheitsbehälters 22 zu einer Messposition in der Messvorrichtung 10. Es ist anzumerken, dass das Magazin in der Messposition mit gestrichelten Linien dargestellt und durch das Bezugszeichen 24' gekennzeichnet ist. Der Probenwechsler 14 positioniert dann jeden der Aufnahmebehälter 26 genau in einem stark kollimierten Röntgenstrahl, so dass das HKED nacheinander jede der Proben messen kann. Nach Messung aller im Magazin enthaltenen Proben transportiert der Probenwechsler 14 das Magazin 24 automatisch zurück zur Be-/Entladeöffnung, wo die Aufnahmebehälter 26 leicht mit den Telemanipulatoren 16 aus dem Magazin 24 herausgehoben werden können.
Der Aufbau des Probenwechslers 14 wird nun anhand der Zeichnungen 2 bis 9 im Detail beschrieben.
2 und 3 zeigen detailliertere Darstellungen des Probenwechslers 14. Es ist anzumerken, dass der rohrförmige Sicherheitsbehälter in fünf Teile unterteilt werden kann (siehe 2):

a) eine Be-/Entladeöffnung A, die so in der heißen Zelle 12 angeordnet ist, dass die Aufnahmebehälter 26 leicht für die Telemanipulatoren 16 erreichbar sind, wenn sich das Aufnahmebehälter-Magazin 24 in einer Be-/Entladeposition in der Be-/Entladeöffnung A befindet;
b) einen Abdichtteil B, der in dem Standard-Adapterflansch 18 der heißen Zelle 12 untergebracht ist, wobei der Adapterflansch 18 eine abgedichtete Verbindung bereitstellt, die lecksicher gegen Alpha-Teilchen ist;
c) einen Transferteil C, der sich von dem Adapterflansch 18 aus in die Messvorrichtung 10 hinein erstreckt und eine Einschließ- und Abschirmfunktion erfüllt:
d) einen Messfensterteil D, der ein Messfenster 30, 32 an jeder Seite des Kanals 28 aufweist und an den beispielsweise ein Röntgengenerator, ein Röntgenfluoreszenzanalysator (XRF) und ein K-Kanten-Densitometer (KED) wie in 1 angeschlossen werden können; und
e) einen hinteren Endteil E, an dem ein Schrittmotor 34 befestigt ist und der selbst mittels einer Schelle 38 (siehe 3) auf einer Trägerplatte 36 befestigt ist.

Die 5 bis 7 zeigen Querschnitte der Teile A, D und E des rohrförmigen Sicherheitsbehälters 22 des Probenwechslers 14. Es ist zuerst anzumerken, dass dieser rohrförmige Sicherheitsbehälter 22 aus zwei hochwertigen Edelstahlschalen 22', 22'' aufgebaut ist, die durch Elektronenstrahlschweißen in dem Bereich der Vertikalebene miteinander verbunden sind, die durch die Mittellinie des rohrförmigen Sicherheitsbehälters 22 geht. Eine Hälfte des Transferkanals 28 wird in jeder der zwei Schalen 22', 22'' gefräst, bevor diese zusammengesetzt werden. Der Querschnitt des Kanals 28 ist nur geringfügig größer als der Querschnitt des Schlittens 24, in dem die Aufnahmebehälter 26 positioniert sind.
Gemäß einem wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung verläuft ein zweiter Kanal 42 unterhalb des Transferkanals 28 über dessen gesamte Länge. In diesem Kanal 28 ist ein Spindelantrieb untergebracht, um das Magazin 24 zwischen seiner Be-/Entladeposition und seiner Messposition zu bewegen und um die Aufnahmebehälter in der Messposition zu justieren; dieser Kanal 28 wird deshalb im Folgenden als „Spindelkanal 28" bezeichnet.
Der Spindelantrieb wird nun detaillierter beschrieben, wobei zugleich auf die 5, 8 und 9 Bezug genommen wird. Er umfasst eine Gewindespindel 44, die über eine Spezialkupplung 46 mit einer Ausgangswelle des Schrittmotors 34 verbunden ist (siehe 8) und sich längs durch den gesamten Spindelkanal 28 hindurch bis in die Be-/Entladeöffnung A erstreckt, wobei ihr zweites Ende in einem Lagerbock 48 gehalten wird (siehe 8). Ein Transfer schlitten für das Magazin 24 umfasst zwei Stützblöcke 50, 52 sowie eine Stützplatte 54, die die beiden Stützblöcke 50, 52 miteinander verbindet und im Transferkanal 28 eine tragende Oberfläche für das Magazin 24 bildet. 5 zeigt am besten, dass jeder der Stützblöcke 50, 52 eine zylindrisch gekrümmte Oberfläche aufweist, die einen Gewindeteil umfasst, der ausschließlich die obere Hälfte der Gewindespindel 44 in Eingriff bringt. Die Stützblöcke 50, 52 werden seitlich im Spindelkanal 42 geführt und ruhen mittels nach unten ausgerichteter Läufer 56', 56'' auf zwei seitlichen Stützflächen im Spindelkanal 42. Die Rippen 57', 57'' ragen seitlich in den Spindelkanal 42 hinein, um so im Spindelkanal 42 als vertikale Endanschläge für die gewindeten Stützblöcke 50, 52 zu dienen. Es ist anzumerken, dass die Stützblöcke 50, 52 und die Stützplatte 54 vorzugsweise aus Polyethylen bestehen.
Das Magazin 24 ruht auf der Stützplatte 54, wie insbesondere in 8 und 9 dargestellt ist. Ein Fuß 58, der von der Unterseite des Magazins 24 nach unten hervorsteht (siehe auch 10 und 12), wird so in einer entsprechenden Öffnung 59 der Stützplatte 54 aufgenommen, dass das Magazin 24 in einer reproduzierbaren Position auf der Stützplatte 54 in Eingriff gebracht wird.
Die Be-/Entladeöffnung A wird nun unter gleichzeitiger Bezugnahme auf die 4, 5 und 9 detaillierter beschrieben. In diesem Teil A ist der rohrförmige Sicherheitsbehälter 22 auf eine Art Balkon reduziert, der in die heiße Zelle 12 hineinragt und darin die Be-/Entladeöffnung des Probenwechslers 14 bildet. Der Kanal 28 hat in dem Balkon einen offenen Querschnitt; d. h., dass nur die untere Hälfte des Magazins 24 in dem Kanal 28 aufgenommen ist. Die obere Hälfte des Magazins 24 und die darin enthaltenen Aufnahmebehälter 26 sind für die Telemanipulatoren 16 frei zugänglich. Zwei Führungsprofile 60', 60'' bieten eine seitliche Führung, um das Magazin 24 auf der Stützplatte 54 des Transferschlittens zu justieren, falls das Magazin 24 ausgetauscht werden muss. Diese Führungsprofile 60', 60'' sind vorzugsweise als verschleißende Teile zu verstehen, die beispielsweise aus Polyethylen bestehen. Sie lassen sich leicht mit den Telemanipulatoren 16 abmontieren, indem die Befestigungs schrauben 62', 62'' gelöst werden. Das Bezugszeichen 64 in 4 kennzeichnet eine Klappe, die den Spindelkanal 42 axial verschließt, um so im Spindelkanal 42 als axialer Endanschlag für den Lagerbock 48 zu dienen. Beim Lösen einer Befestigungsschraube 68 kann diese Klappe 64 um eine Achse 66 in Richtung des Pfeils 70 gedreht werden, um so den Spindelkanal 42 uneingeschränkt axial zugänglich zu machen. Daraus folgt, dass die Telemanipulatoren 16 die Spindel 44, den Lagerbock 48 und den Transferschlitten axial aus dem Spindelkanal 42 heraus- und in die heiße Zelle 12 hineinbewegen können. Auf die gleiche Weise können eine neue Spindel 44 und ein neuer Lagerbock 48 leicht montiert werden. Zum Befestigen eines neuen Schlittens ist es möglicherweise einfacher, wenn man zuerst die Profile 62', 62'' abmontiert und anschließend den Schlitten von oben durch den Transferkanal 28 und passende Ausschnitte in den Rippen 57', 57'' in den Spindelkanal 42 einführt.
Die Teile B und C des rohrförmigen Sicherheitsbehälters 22 sind beide zylinderförmig. Diese zwei Teile dienen als abgeschirmter und lecksicherer Transferbehälter für das Magazin 24. 6 zeigt, dass die zylindrische Form des rohrförmigen Sicherheitsbehälters 22 im Messfensterteil D erheblich abgeflacht ist, damit die Messvorrichtungen so nahe wie möglich an dem Magazin 24 positioniert werden können, das die zu messenden Proben enthält. Die Messfenster 30 und 32 sind zwei flache, dünne Wände, die symmetrisch zur Mittelebene des Magazins 24 in der Messposition ausgelegt sind. Das Messfenster 32 umfasst eine Nut 72, die die Wanddicke des Messfensters 32 örtlich verringert, um den Messstrahl durchzulassen.
8 zeigt, dass der Kanal 28 in den Endteil E hinein verläuft, wo er durch die Verschlussplatte 74 hermetisch verschlossen ist. In dieser Verschlussplatte sind die Spezialkupplung 46 für die Gewindespindel sowie ein Hohlraum 76 zur Aufnahme eines vorspringenden Metallstücks 78 untergebracht, das an der Stützplatte 54 des Schlittens angebracht ist. 7 zeigt, dass eine Querbohrung in den Hohlraum 76 hinein verläuft. In dieser Querbohrung ist eine lecksichere Schutzhülle 81 untergebracht, in der ein Lagedetek tor 80 – vorzugsweise ein induktiver Lagedetektor – befestigt ist. Dieser Lagedetektor 80 dient dazu, die Position des vorspringenden Stücks 78 im Hohlraum 76 und dadurch die Position des das Magazin 24 haltenden Transferschlittens zu erfassen. Er hat dabei die Funktion eines Begrenzungsschalters, um den Transferschlitten anzuhalten und eine Referenzposition für den Schrittmotor zu definieren. Ein Abschirmplatte 82, die einen etwas größeren Querschnitt als die Verschlussplatte 74 besitzt, trennt den Schrittmotor 34 von dem Strahlenschutzbehälter, der durch den rohrförmigen Sicherheitsbehälter 22 gebildet wird.
Unter erneuter Bezugnahme auf 8 ist anzumerken, dass die in der Verschlussplatte 74 untergebrachte Spezialkupplung 46 an einem Ende ein Einsteck-Verbindungssystem 84 für das freie Ende der Gewindespindel 44 und am anderen Ende eine Verbindungswelle 85 für den Schrittmotor 34 umfasst. Diese Verbindungswelle 85 verläuft durch einen Kanal in der Abschirmplatte 82 hindurch. Zwischen einer ortsfesten Schale 88, die selbst abgedichtet in einer Kammer der Verschlussplatte 74 untergebracht ist, und einer Welle 90 der Kupplung 46 ist eine Wellendichtung angeordnet, die beispielsweise zwei Dichtringe 86 umfasst. Diese doppelte Wellendichtung 86 verhindert, dass radioaktive oder korrosive Gase entlang der Verbindungswelle 85 zur Außenseite und in das Innere des Schrittmotors 34 dringen können. Auf diese Weise wird eine strikte Trennung der elektrischen und mechanischen Komponenten erreicht, wobei die elektrischen Komponenten für leichten Zugang und Austausch außerhalb des Sicherheitsbehälters angeordnet und vor radioaktiver Verunreinigung und stark korrosiven Gasen geschützt sind.
10, 11 und 12 zeigen detailliertere Ansichten des mit dem Probenwechsler 14 verwendeten Magazins 24. Das dargestellte Magazin 24 definiert sechs Kammern 100_i , die in axialer Ausrichtung im Magazin angeordnet sind, wobei jede der Kammern 100_i so für die Aufnahme eines Proben-Aufnahmebehälters 26_i ausgelegt ist, dass der Aufnahmebehälter 26_i reproduzierbar und exakt im Magazin 24 positioniert werden kann. Es kann natürlich auch mit Magazinen gearbeitet werden, die entweder mehr oder weniger als sechs Kammern aufweisen. Das Magazin 24, das beispielsweise aus Titan bestehen kann, hat zwei Seitenwände 102 und 104, die die Kammern 100_i seitlich begrenzen. Jede der beiden Seitenwände 102 und 104 enthält für jede der Kammern 100_i eine Messöffnung 106_i , wobei die zwei Messöffnungen einer Kammer 100_i einander gegenüberliegend angeordnet sind, um so einen Weg für den Messstrahl durch den Aufnahmebehälter 26_i zu definieren, der in der jeweiligen Kammer 100_i positioniert ist.
Das Bezugszeichen 108 kennzeichnet eine in das Magazin 24 integrierte Schlitzöffnung. Diese Schlitzöffnung 108, die eine sehr geringe Breite aufweist (z. B. 0,2 mm), dient zur hochgenauen Positionierung (z. B. besser als 0,05 mm) des Magazins 24 durch Messung und Auswertung des Intensitätsprofils eines durch die Schlitzöffnung fallenden Strahls.
Der Probenwechsler 14 wird normalerweise wie folgt betrieben: Der Bediener steckt die Aufnahmebehälter 26, die die zu analysierenden radioaktiven Proben enthalten, mit den Telemanipulatoren 16 in die Kammern 100_i des Magazins 24, das in der Be-/Entladeöffnung A positioniert ist. Nach Beladung des Magazins 24 wird mit einem Messcomputer 110 (siehe 2) ein automatisches Messverfahren gestartet. Dieses Messverfahren umfasst folgende Schritte:

a) Bewegung des Transferschlittens mit dem Magazin 24 in Richtung des Teils E mithilfe des Spindelantriebs;
b) Erfassung des vorspringenden Stücks 78 des Transferschlittens mit dem Lagedetektor 80, um so den Transferschlitten in einer vorbestimmten Position im Teil E anzuhalten;
c) Verwendung der vorbestimmten Position des Transferschlittens im Teil E als eine Referenzposition für einen Schrittzähler;
d) Durchführung einer vorbestimmten Anzahl von Schritten mit dem Schrittmotor 34, um so die Schlitzöffnung 108 im Magazin 24 in einen kleinen, vorbestimmten Abstand zum stark kollimierten Messstrahl zu bringen. In der Pilotvorrichtung wird die Schlitzöffnung 108 beispielsweise in 1 mm Abstand zum stark kollimierten Röntgenstrahl bewegt;
e) Durchführung einer vorbestimmten Anzahl von Schritten mit dem Schrittmotor 34, um so die Schlitzöffnung 108 durch den Messstrahl zu führen. In der Pilotvorrichtung führt der Schrittmotor 34 beispielsweise 20 Schritte durch, wobei jeder Schritt eine Zunahme um 0,1 mm bedeutet. Die Distanz, um die die Schlitzöffnung 108 bewegt wird, ist demzufolge zehnmal größer als die Breite der Schlitzöffnung 108;
f) Messung der Intensität des durch die Schlitzöffnung 108 fallenden Messstrahls bei jedem Schritt. In der Pilotvorrichtung misst der K-Kanten-Detektor beispielsweise die Intensität des stark fokussierten Röntgenstrahls, der durch die Schlitzöffnung 108 fällt;
g) Berechnung des Maximums der Strahlintensität (d. h. der Position, in der die Schlitzöffnung am besten im Messstrahl eingestellt ist) in Funktion der Anzahl der vom Schrittmotor durchzuführenden Schritte (beispielsweise nach der Methode der kleinsten Quadrate) und Verwendung dieser Position des Schrittmotors 34 als eine neue Referenzposition;
h) Berechnung – auf Basis der neuen Referenzposition – der vom Schrittmotor 34 durchzuführenden Schritte, um jede der Kammern 100_i des Magazins 24 exakt im Messstrahl zu positionieren, wobei der Abstand zwischen der Schlitzöffnung 108 und der Mittellinie jeder Kammer mit großer Genauigkeit bekannt ist (Maßtoleranz 0,01 mm oder besser);
i) aufeinander folgende Durchführung der berechneten Anzahl von Schritten mit dem Schrittmotor 34, um jede der Kammern 100_i des Magazins 24 im Messtrahl einzustellen und die Messung an der Probe durchzuführen, die in der jeweiligen Kammer 100_i enthalten ist; und
j) Bewegung des Transferschlittens mit dem Magazin 24 zurück in den Teil A, sobald alle Proben gemessen wurden.

Es versteht sich, dass der Probenwechsler der vorliegenden Erfindung bei Ausfall des linearen Antriebsmechanismus ohne mechanische Änderungen als Probentransferrohr verwendet werden kann, um die Messproben manuell aus zutauschen. In diesem Fall wird das Magazin 24 vom Schlitten entfernt und ein Spezialschlitten 200 (siehe 13) in den Transferkanal 28 in der Be-/Entladeöffnung A eingeführt. Die seitlichen Läufer 202, 204 tragen den Spezialschlitten 200 auf Gleitoberflächen, die im Transferkanal 28 an jeder Seite des Spindelkanals 42 angeordnet sind. Es ist anzumerken, dass der Spezialschlitten 200 als über den Tragschlitten gleitend zu verstehen ist, wobei das vorspringende Stück 78 des Tragschlittens durch einen Seitenkanal 206 im Spezialschlitten hindurchgeht. Der Tragschlitten kann folglich im Probenwechsler verbleiben, sogar wenn Letzterer als manuelles Transferrohr verwendet wird. Der Spezialschlitten enthält an seinem Hinterende einen Hohlraum zur Aufnahme eines Aufnahmekörpers mit der Messprobe. Eine Handhabungsstange, die etwas länger als der Transferkanal 28 ist, ist gelenkig so mit dem Hinterende des Spezialschlittens verbunden, dass dieser mithilfe der Telemanipulatoren 16 in den Messfensterteil geschoben werden kann. Das Vorderende des Spezialschlittens trägt einen Magneten 208, der mit einer Weicheisenplatte 210 im Endteil E des rohrförmigen Sicherheitsbehälters 22 zusammenwirkt (siehe 8), um den Spezialschlitten während der Messung an seinem Platz zu halten. Der Abstand zwischen dem Magneten 208 am Vorderende des Spezialschlittens und der Mittelachse des Aufnahmekörpers mit der Messprobe am Hinterende des Spezialschlittens kann mittels einer Stellschraube verändert werden, die den Magneten axial am Spezialschlitten bewegen kann. Dadurch lässt sich die Messposition des Proben-Aufnahmekörpers im Messfensterteil des rohrförmigen Sicherheitsbehälters 22 mit großer Präzision voreinstellen. Sobald die Messung der Probe beendet ist, wird der Spezialschlitten mithilfe der Stange und der Telemanipulatoren 16 zur Be-/Entladeöffnung A zurückgezogen.

Claims

Probenwechsler zum Transfer radioaktiver Proben zwischen einer heißen Zelle (12) und einer außerhalb der heißen Zelle (12) angeordneten Messvorrichtung (10), wobei der Probenwechsler umfasst: einen rohrförmigen Sicherheitsbehälter (22) mit einer in die heiße Zelle (12) einzuführenden Be-/Entladeöffnung (A); einen Transferteil (C), der sich in die Messvorrichtung (10) außerhalb der heißen Zelle (12) erstreckt; einen Messfensterteil (D), der von einem Messstrahl in der Messvorrichtung (10) zu durchqueren ist; und einen verschlossenen hinteren Endteil (E), der an dem der Be-/Entladeöffnung (A) gegenüberliegenden Ende angeordnet ist; und einen Aufnahmekörper (24) mit zumindest einer Kammer, um darin eine radioaktive Probe aufzunehmen, wobei der Aufnahmekörper (24) in einem Transferkanal (28) angeordnet ist, der axial durch den rohrförmigen Sicherheitsbehälter (22) zwischen der Be-/Entladeöffnung (A) und dem Messfensterteil (D) verläuft; gekennzeichnet durch eine Gewindespindel (44), die drehbar in einem Spindelkanal (42) untergebracht ist, der in dem rohrförmigen Sicherheitsbehälter (22) unter dem Transferkanal (28) angeordnet ist, wobei die Gewindespindel (44) zwischen der Be-/Entladeöffnung (A) und dem Messfensterteil (D) verläuft; einen Schrittmotor (34), der an der Außenseite des rohrförmigen Sicherheitsbehälters (22) angeordnet ist; eine Kupplung (46), die den Schrittmotor (34) mit der Gewindespindel (44) verbindet, wobei die Kupplung (46) abdichtend durch den verschlossenen hinteren Endteil (E) hindurchgeht; und einen längs geführten Tragschlitten, der den Aufnahmekörper (24) im Transferkanal (28) hält, wobei der Tragschlitten mit der Gewindespindel (44) in Eingriff gebracht ist, um so bei Drehung der Spindel (44) einer translatorischen Bewegung ausgesetzt zu werden.
Probenwechsler nach Anspruch 1, ferner einschließend: eine Einsteckvorrichtung für die Kupplung (46), um ein Ende der Gewindespindel (44) an die Kupplung (46) anzukuppeln; und einen Lagerbock (48), um das gegenüberliegende Ende der Gewindespindel (44) zu halten, wobei der Lagerbock (48) verschiebbar im Spindelkanal (42) befestigt ist; wobei der Spindelkanal (42) axial so von der heißen Zelle (12) aus zugänglich ist, dass die Gewindespindel (44) und ihr Lagerbock (48) axial aus dem Spindelkanal (42) heraus- und in die heiße Zelle (12) hineinbewegt werden können.
Probenwechsler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragschlitten gewindete Eingriffmittel einschließt, die ausschließlich die obere Hälfte der Gewindespindel (44) in Eingriff bringen.
Probenwechsler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragschlitten zwei Stützblöcke (50, 52) einschließt, wobei jeder Stützblock (50, 52) umfasst: eine zylindrisch gekrümmte Oberfläche, die einen Gewindeteil umfasst, der ausschließlich die obere Hälfte der Gewindespindel (44) in Eingriff bringt; und nach unten ausgerichtete Läufer (56', 56''), die auf zwei seitlichen Stützflächen im Spindelkanal (42) ruhen.
Probenwechsler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Stützblock (50, 52) seitlich im Spindelkanal (42) geführt wird.
Probenwechsler nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch ineinander greifende Mittel am Aufnahmekörper (24) und am Tragschlitten, wobei die ineinander greifenden Mittel zusammenwirken, um den Aufnahmekörper (24) reproduzierbar auf dem Tragschlitten zu positionieren.
Probenwechsler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragschlitten ferner eine Stützplatte (54) einschließt, die die Stützblöcke (50, 52) miteinander verbindet und als Stützfläche für den Aufnahmekörper (24) dient; wobei der Aufnahmekörper (24) und die Stützplatte (54) ineinander greifende Mittel (58, 59) einschließen, die zusammenwirken, um den Aufnahmekörper (24) reproduzierbar auf der Stützplatte (54) zu positionieren.
Probenwechsler nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmekörper (24) ein Magazin (24) ist, das mehrere Kammern (100) einschließt, die in axialer Ausrichtung im Magazin (24) angeordnet sind; und dem Schrittmotor (34) Steuerungsmittel zugeordnet sind, wobei die Steuerungsmittel in der Lage sind, den Schrittmotor (34) zu steuern, um so jede der verschiedenen Kammern (100) des Magazins (24) anschließend im Messstrahl zu positionieren.
Probenwechsler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsmittel einschließen: eine Schlitzöffnung (108) im Magazin (24); und Computermittel (110), die betreibbar mit Mitteln zur Messung der Intensität des durch die Schlitzöffnung (108) fallenden Messstrahls und mit dem Schrittmotor (34) zusammengeschaltet sind; wobei die Computermittel (110) in der Lage sind, eine endgültige Referenzposition des Schrittmotors (34) zu berechnen, die der Position des Schrittmotors (34) entspricht, bei der die Intensität des durch die Schlitzöffnung (108) fallenden Messstrahls das Maximum hat, und basierend auf der Referenzpostion die Anzahl der Schritte zu berechnen, die der Schrittmotor (34) durchführen muss, um jede der Kammern (100) exakt im Messstrahl zu positionieren.
Probenwechsler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsmittel ferner einschließen: einen Lagedetektor (80), der außerhalb des rohrförmigen Sicherheitsbehälters angeordnet ist, wobei der Lagedetektor durch den Tragschlitten ausgelöst wird, wenn Letzterer sich in einer vorbestimmten Position im Messfensterteil (D) befindet; Computermittel (110), die betreibbar mit dem Lagedetektor (80) und dem Schrittmotor (34) zusammengeschaltet sind, um eine Anfangs-Referenzposition des Schrittmotors (34) zu berechnen, die der Position des Schrittmotors (34) entspricht, bei der der Lagedetektor durch den Trag schlitten ausgelöst wird, und die Anzahl der Schritte zu berechnen, die der Schrittmotor (34) durchführen muss, um die Schlitzöffnung (108) in einem vorbestimmten Abstand zum Messstrahl zu positionieren.
Probenwechsler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagedetektor (80) ein induktiver Lagedetektor ist, der in einer lecksicheren Schutzhülle (81) im hinteren Endteil (E) des Sicherheitsbehälters (22) untergebracht ist, wobei der Transferschlitten ein vorspringendes Metallstück (78) einschließt, das mit dem induktiven Lagedetektor zusammenwirkt.
Probenwechsler nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Sicherheitsbehälter (22) einen Abdichtteil (B) aufweist, um abdichtend in einem Standard-Adapterflansch (18) der heißen Zelle (12) aufgenommen zu werden.
Probenwechsler nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Sicherheitsbehälter (22) im Transferteil (C) eine zylindrische Form hat, die im Messfensterteil (D) erheblich abgeflacht ist.
Hybrid-K-Kanten-Densitometer-Messanlage einschließlich einer heißen Zelle (12) mit einem Adapterflansch (18); einem Hybrid-K-Kanten-Densitometer (10); und einem Probenwechsler nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche.