أنظمة تحليل الغازات المقترنة بأجهزة NETZSCH: كيف بدأ كل شيء

تتكون شركة NETZSCH-Gerätebau GmbH من أكثر من نصف قرن من الخبرة في مجال تطوير تكنولوجيا الاقتران. في شهر مارس، اكتشف في ملخص تاريخي كيف بدأ كل شيء، وما هي الأنظمة التي كانت مستخدمة في ذلك الوقت والأنظمة المستخدمة اليوم، واقرأ مساهمات مثيرة من عملائنا وشركائنا القدامى.

في عام 1973، التحق الفيزيائي إروين كايزرسبيرغر بشركة NETZSCH وكان مسؤولاً في البداية عن التطبيقات والمبيعات في ألمانيا والخارج. تبع ذلك مراحل مهنية أخرى كرئيس لمختبر التطبيقات، ورئيس قسم المبيعات التقنية و"عالم أول" في فريق دعم الخدمات والتطبيقات في جميع أنحاء العالم. وابتداءً من عام 2007، عمل في الشركة كمستشار مستقل قبل أن يتقاعد عن جدارة واستحقاق في عام 2012 - بعد 39 عامًا من العمل. وفي تلك السنوات الخمس الأخيرة، كرّس كل طاقته في السنوات الخمس الأخيرة تحديداً في مجال اقتران TGA-GC-MS.

وقد جمع لنا إروين كايزرسبيرجر تاريخ اقتران أنظمة تحليل الغازات بأجهزة NETZSCH:

نقطة البداية في عام 1970

كما يمكنك أن ترى من سرد تاريخ STA في مقال الذكرى السنوية لشهر فبراير 2022، تم تقديم أول NETZSCH STA برقم الموديل 429 في عام 1970. وقد تم ذلك بمناسبة المعرض الهندسي الدولي في برنو (خريف 1970)، والذي كان في ذلك الوقت ولا يزال بعد سنوات عديدة سوقًا مهمًا للأعمال التجارية مع دول أوروبا الشرقية وغيرها.

حتى عام 1970، كانت شركة NETZSCH تفضل الفلسفة القائلة بأنه من الأفضل العمل بشكل منفصل مع DTA وTGA، حيث إنه بالنسبة لـ DTA، كانت معدلات التسخين الأسرع فعالة في الحصول على قمم أكبر؛ أما بالنسبة لـ TGA، من ناحية أخرى، كانت معدلات التسخين الأبطأ مفضلة من أجل تحديد التغيرات في الكتلة في حالة أقرب ما يمكن إلى التوازن. ومع ذلك، سرعان ما أصبح التطبيق المتزامن ل DTA وTGA على عينة واحدة في ظروف متطابقة راسخًا.

ومع طرح جهاز STA 429، الذي صُمم ليكون محكم التفريغ والغاز منذ البداية، دخلنا قطاعًا جديدًا في السوق وأصبحنا في منافسة فورية مع الشركات المصنعة الأخرى في أوروبا الغربية؛ وكان هذا هو الحال أيضًا في أوروبا الشرقية مع جهاز المشتقات (Paulik و Erdey). وفي نطاق درجات الحرارة المرتفعة على وجه الخصوص، تمكنت NETZSCH من جلب خبرتها الطويلة في مجالات المواد غير العضوية والمعادن والسيراميك.

حتى قبل عام 1973، كان لدى NETZSCH برنامج إنتاج واسع النطاق، كما هو مذكور في كتيب مقياس التمدد من عام 1973 (مقالة الذكرى السنوية من يناير 2022). وشمل ذلك أيضًا أدوات الكشف عن الغازات التي تعمل باستمرار للاقتران مع النماذج الضيقة الغازية لـ DTA وTGA وSTA ومقاييس التمدد. وبالطبع لم تكن أجهزة الكشف عن الغازات هذه، التي تسجل التغيرات في الموصلية الحرارية (EGA) أو كثافة الغاز (EGD) أو النشاط الإشعاعي (ETA) لغاز العينة أثناء التجربة، مرضية تمامًا على الرغم من بساطتها وحقيقة أن بعضها كان يتمتع بحساسية كشف عالية: لقد أظهروا فقط أن الغازات قد تطورت أو تم امتصاصها، ولكن ليس أي الغازات!

ومع ذلك، كان تحديد الغازات موضوعًا حديثًا في ذلك الوقت كما هو الحال اليوم. ولكن ما هي أنظمة تحليل الغازات التي كانت متاحة في البداية؟ تحول تركيز أعمال التطوير سريعًا إلى مطياف الكتلة الرباعي الأقطاب نظرًا لصغر حجمه وحساسيته العالية للكشف (1960: اختراع مطياف الكتلة الرباعي الأقطاب على يد الفيزيائي الألماني الحائز على جائزة نوبل فيما بعد، فولفغانغ بول، وزميله في العمل، هيلموت شتاينفيد، في جامعة بون).

منذ عام 1970، تم توجيه تطوير الأجهزة في NETZSCH أيضًا نحو أبعاد أكثر إحكامًا مع أفران أصغر وبالتالي أسرع، وغرف عينات مخفضة لتحسين تطهير الغازات وإحكام التفريغ لتحقيق أجواء غازية نظيفة في العينات. وكان هذا شرطًا أساسيًا للاقتران المعقول لأنظمة تحليل الغاز الحساسة. وبدءًا من عام 1970 أيضًا، تم استخدام الإلكترونيات التي طورها كارل بايرويزر وفريقه داخل الشركة في NETZSCH في أنظمة التحكم في الأجهزة. وهذا جعل الأجهزة أكثر مرونة ودقة خاصة في التحكم في درجة الحرارة والحصول على بيانات القياس.

1973: اقتران المطياف الكتلي (MS)

كانت مجموعة NETZSCH، التي تتألف من الشركات الألمانية المنفردة Gebrüder NETZSCH-Anlagenbau و NETZSCH-Mohnopumpen و NETZSCH-Feinmahltechnik و NETZSCH-Newamatik و NETZSCH-Gerätebau و NETZSCH-Vertriebsgesellschaft، في حالة معنوية عالية واحتفلت بالذكرى ^{المئوية} لتأسيسها في 1 يوليو 1973 مع الشركات الأجنبية التابعة لها فيما اشتهر بأنه "حفل فخم للغاية للشركة" في سيلب. (بدأت العمل في شركة NETZSCH-Gerätebau بعد 100 عام ويوم واحد من تأسيس NETZSCH؛ أي في اليوم التالي بالضبط للاحتفال بمرور 100 عام. وحتى يومنا هذا، لا أستطيع الإجابة على سؤال لماذا لم أكن هناك ...)

في أوائل السبعينيات، كانت شركة بالزر من ليختنشتاين تتمتع بالفعل بسمعة جيدة لمطياف الكتلة رباعي الأقطاب (QMS) للتحكم في العمليات. كان اهتمام شركة NETZSCH-Gerätebau بالتعاون مع شركة Balzers لتطوير اقتران MS لـ STA 429 كبيرًا جدًا، وأعجبت شركة Balzers بدورها بالعقلية المنفتحة في NETZSCH لتحسين أنظمة مدخل الغاز القابلة للتكامل. وهكذا، في القسم التقني لجيرهارد بروير وفريقه، تم إنشاء نظام مدخل غاز يتكون من شعيرات بلاتينية وصفيحة فتحة بلاتينية في اتجاه المصب.

وقد نتج عن ذلك اقتران مطياف الكتلة الذي لا يزال يعمل في درجات حرارة أعلى بكثير من 1000 درجة مئوية ومكون معياري عالي الدقة ميكانيكيًا للتركيب في فرن STA 429 بدرجة حرارة 1600 درجة مئوية.

1974: تقديم أول وفريد من نوعه لمقياس الطيف الكتلي NETZSCH-Balzers

العادم الخاص بواجهة الاقتران الجديدة عبارة عن مضخة تفريغ دوّارة ذات مرحلتين في المرحلة الأولى (شعري Pt). يتم توفير المستوى العالي من التفريغ اللازم لاستنفاد فتحة Pt ومصدر الأيونات ومرشح الكتلة رباعي الأقطاب بواسطة مضخة انتشار مع مادة تشحيم بولي فينيل إيثر منخفضة التجزئة (بالإشارة إلى طيف خلفية MS) كوسيط ضخ.

يتم تركيب الفرن ونظام التوصيل ومضخة التفريغ العالي على "رافعة" رأسية للسماح بالوصول الحر إلى حامل العينة لتغيير العينة في STA. حتى أن هناك مساحة لأفران إضافية لاختبارات STA "العادية".

استُخدمت المعدات في جامعة كونستانس لفحص السيليكات، وتمت صيانتها باستمرار وبعناية وموثوقية من قبل قسم خدمة NETZSCH على مدى عقود عديدة.

شهد عام 1974 أيضًا تأسيس جمعية غير ربحية للتحليل الحراري في المنطقة الناطقة بالألمانية، وهي جمعية GEFTA. ومن بين آخرين، لعب اسمان دورًا حاسمًا في تأسيس الجمعية الجديدة: البروفيسور الدكتور إنغ. هانز ليمان من كلاوستال زيلرفيلد والدكتور فولف-ديتر إمريش من مركز NETZSCH في سيلب، الذي أقنع العديد من موظفي المركز بأن يصبحوا أيضًا أعضاء مؤسسين في GEFTA؛ مما سمح للجمعية بأن تبدأ بحوالي 20 عضوًا.

تم اختيار جامعة كونستانس كمكان لعقد الاجتماع السنوي^الثالث لرابطة GEFTA في وقت مبكر من عام 1976، تقديرًا للأنشطة في مجال التحليل الحراري في الموقع. وقد تمكنت GEFTA بالفعل من زيادة عضويتها إلى أكثر من 50 شخصًا وأصبحت رابطة متكاملة من المحللين والباحثين الحراريين النشطين بالتوازي مع المنظمات الوطنية في البلدان المجاورة.

1975: بداية تقليد الحلقات الدراسية حول موضوع أنظمة تحليل الغازات المقترنة

في نهاية عام 1975، تم تقديم اقتران مقياس الطيف الكتلي هذا مع شعيرات بلاتينية وفتحة إلى مجموعة دولية أكبر من الأطراف المهتمة بمناسبة ندوة أولية بعنوان "أنظمة اقتران NETZSCH-Balzers-MTA ذات درجة الحرارة العالية" (MTA تعني التحليل الحراري لقياس الطيف الكتلي، وهو اختصار لم يعد مستخدمًا اليوم). وإلى جانب ذلك، أدركت NETZSCH أيضًا اقتران مطياف الكتلة الأبسط بكثير مع شعيرات فولاذية وفتحة بلاتينية، كما عرضتها شركة Balzers لاحقًا كوحدة مدخل غاز منفصلة، أو في حل مدمج مع Thermostar. وفي هذه الحالة، تم أخذ عينات الغاز من مخرج الغاز في الفرن المعني، مما يسمح بالاقتران بجميع الأجهزة التي تعمل بالغاز مثل DTA وTGA وSTA ومقاييس التمدد. وكانت نقطة البيع الفريدة من نوعها مقارنةً بعروض المنافسين هي التسخين الشامل والقابل للتعديل إلى 200 درجة مئوية لمخرج الغاز في الفرن.

فما هي الخطوات التالية مع نظام اقتران درجات الحرارة العالية؟

بدا أن الحل التقني الذي تم التوصل إليه والتنفيذ العملي وحساسية الكشف لمقياس الطيف الكتلي في نطاق جزء في المليون مع التحليل الحراري أكثر من كافٍ لجميع المخاوف والتطبيقات. كانت هناك عيوب طفيفة في التصميم والتقييم التجريبي وراء بطء التسجيل مع الطابعات النقطية متعددة القنوات، وسرعة المسح البطيئة نسبيًا لمقياس الطيف الكتلي والقمم الكثيرة جدًا في بعض الأحيان في طيف الخلفية. نعم، كان هناك أيضًا في بعض الأحيان ذرات وجزيئات ومركبات لم تجد طريقها ببساطة عبر الشعيرات الدموية والفتحة التي دمرت حراريًا في الطريق، أو التي لم يكن من الممكن الإشارة إليها بشكل موثوق من قمم MS المسجلة. في بعض الأحيان، كان لا بد من فك شبكات ورق التسجيل التي يبلغ طولها أمتارًا للعثور على الانحراف "الوحيد" ذي الصلة بالمسجل لإشارة MS.

وأدت المناقشات مع الآفاق المهتمة بالاقتران المتكامل بين MS-STA إلى مواد جديدة في تصميم نظام مدخل الغاز في فرن جهاز STA. وبالنسبة لهذه التطبيقات، كان البلاتين غير وارد بسبب تأثيره التحفيزي على العينات ونواتج التحلل التي سيتم الكشف عنها. تم اختيار أنابيب اكسيد الالمونيوم الملبد عالية النقاء والتي كان من المتوقع أن تكون ذات مقاومة جيدة لنطاق درجة حرارة التشغيل. تم حل التحديات المقبلة مثل حفر فتحات صغيرة بالليزر (فتحات) في قاع الأنابيب ولحامها بالفلنجات المعدنية بالتعاون مع مصنعي السيراميك والمعاهد المتخصصة. تم إنشاء نظام الفتحات المزدوجة.

1978: عمليات تسليم STA 429 بنظام الفوهة المزدوجة

كان معهد ماكس بلانك لأبحاث الحالة الصلبة، شتوتغارت، ألمانيا، أول عميل لاقتراننا مزدوج الفتحة.

وهناك مجال بحثي آخر أصبح محط اهتمام يتعلق بالتخلص "الآمن" من النفايات المشعة في سياق الأبحاث النووية. فقد اشترى مركز أبحاث يوليش (الذي كان لا يزال في ذلك الوقت مرفق يوليش للأبحاث النووية) جهاز STA 429 مع نظام الفتحة المزدوجة من أجل إجراء أبحاث حول إطلاق الغاز من النفايات المزججة. وقد قدم البروفيسور الدكتور راينهارد أودوج (1973 - 2009 مدير أبحاث السلامة وتكنولوجيا المفاعلات في مركز أبحاث يوليش) وزميله مساهمة كبيرة في تحسين اقتران MS بدرجة حرارة عالية في هذا المجال من التطبيقات. وكان أحد الأهداف هو نظام مدخل الغاز الذي من شأنه أن يسمح بالكشف الموثوق عن الأبخرة المعدنية مثل السيزيوم والسيلينيوم والتيلوريوم وأكاسيد الروثينيوم والفضة (كمواد مرجعية ذات تطاير مماثل للنفايات المشعة). وقد تم تحسين اقتران التصلب المتعدد عالي الحرارة بشكل كبير لهذا التطبيق بالتعاون مع أساتذة من مركز الأبحاث. وأدت الدراسات إلى أطروحة تتضمن وصفًا للعديد من الخطوات الفردية حتى "اقتران الكاشطة"، المصنوعة من المعدن مع مسافات مخفضة للغاية بين العينة ومدخل الغاز ومصدر أيونات MS، وكل ذلك مع فرن قصير بالمقابل.

كان نقل هذا "الحل المؤسسي" إلى نظام اقتران الكاشطة المصنع تجاريًا في NETZSCH معقدًا للغاية. إن إعادة تصميم الفرن والبحث عن مواد الكاشطة المثلى لدرجات حرارة ونطاقات التشغيل المختلفة هي بعض النقاط الرئيسية. تم تحقيق الكاشطات المصنوعة من المعدن المقاوم لدرجات الحرارة العالية وزجاج الكوارتز والألومينا والكربون الزجاجي. وأثبتت الألومينا والكربون الزجاجي لاحقًا أنها الأكثر تنوعًا وعملية لنطاقات درجات الحرارة المختلفة وأجواء العينة.

وقد استفاد تطوير الأجهزة من حقيقة أن مجموعة منتجات الأفران في NETZSCH قد توسعت من نطاق درجات الحرارة المنخفضة من -180 درجة مئوية إلى 2400 درجة مئوية، وبدأ استخدام مضخات جزيئية توربينية موثوقة لتوليد التفريغ، كما تم تصميم أجهزة رفع مدمجة.

1985: تقديم أول اقتران فريد من نوعه في العالم وفريد من نوعه في العالم مع نظام مدخل غاز الكاشطة

بالتوازي مع التطوير الإضافي لاقتران الفتحة إلى اقتران الكاشطة الموضحة أعلاه، تم تطوير مركز امتياز جديد لأبحاث البيئة والوقود والطاقة في جامعة بادربورن (الشاملة)، قسم الكيمياء بقيادة البروفيسور الدكتور أنطونيوس كيتروب مع اقتران مزدوج الفتحة STA 429 MS. كما أسفر التعاون المثمر للغاية مع البروفيسور الدكتور أنطونيوس كيتروب وفريقه عن تحسينات في الأدوات (التحكم الآلي في الضغط في نظام المدخل) وإعادة تصميم الأدوات بعد انتقال فريق البحث إلى نيوهربرغ بالقرب من ميونيخ إلى ما كان يعرف آنذاك باسم مركز أبحاث GASS للبيئة والصحة. بالنسبة للبحوث البيئية (على سبيل المثال، التخلص من النفايات والتربة الملوثة)، تم بناء مطياف كبير = عينة STA (حجم العينة يصل إلى 170 سم مكعب) مع إمكانيات اقتران مطياف الكتلة ومطياف الأشعة تحت الحمراء FT-IR وأجهزة GC-MSSCH في إطار تمويل البحوث البافارية.

ولكن ماذا سيحدث بعد ذلك؟ ما هي التطورات الجديدة التي ستتبع ذلك؟ اقرأ المزيد في الأسابيع القادمة..