Gas Analysis Systems Coupled to NETZSCH Instruments: How it all started

NETZSCH-Gerätebau GmbH има над половинвековен опит в разработването на технологии за свързване. През месец март разберете в историческо обобщение как е започнало всичко, кои системи са се използвали тогава и кои се използват днес, и прочетете вълнуващи материали от нашите дългогодишни клиенти и партньори.

През 1973 г. физикът Ервин Кайзерсбергер се присъединява към NETZSCH и първоначално отговаря за приложенията и продажбите в Германия и чужбина. Следват следващи етапи в кариерата му като ръководител на лаборатория за приложения, ръководител на отдел "Технически продажби" и "старши учен" в световния екип за обслужване и поддръжка на приложения. От 2007 г. той работи за компанията като консултант на свободна практика, преди да излезе в заслужена пенсия през 2012 г. - след 39 работни години. През последните пет години той посвещава цялата си енергия специално на областта на свързването на TGA-GC-MS.

Ервин Кайзерсбергер събра за нас историята на свързването на системите за газов анализ с инструментите на NETZSCH:

Начална точка през 1970 г

Както можете да видите от разказа за историята на STA в юбилейната статия за февруари 2022 г., първият NETZSCH STA с номер на модела 429 е представен през 1970 г. Това се случва по повод на Международния технически панаир в Бърно (есента на 1970 г.), който по това време, а и много години по-късно, е важен пазар за бизнес с източноевропейските страни, наред с други.

До 1970 г. NETZSCH подкрепяше философията, че е по-добре да се работи поотделно с DTA и TGA, тъй като за DTA по-бързите скорости на нагряване са ефективни за получаване на по-големи пикове; за TGA, от друга страна, се предпочитат по-бавни скорости на нагряване, за да се определят масовите промени в състояние, възможно най-близко до равновесното. Едновременното прилагане на DTA и TGA за една проба при идентични условия обаче бързо се утвърди.

С въвеждането на STA 429, който от самото начало беше проектиран да бъде вакуумиран и газонепроницаем, ние навлязохме в нов пазарен сегмент и веднага се конкурирахме с други западноевропейски производители; такъв беше случаят и в Източна Европа с дериватографа (Paulik and Erdey). Особено в по-високия температурен диапазон NETZSCH успя да вложи дългогодишния си опит в областта на неорганичните вещества, минералите и керамиката.

Още преди 1973 г. NETZSCH разполага с широка производствена програма, както е посочено в брошурата за дилатометър от 1973 г. (юбилейна статия от януари 2022 г.). Тя включваше и непрекъснато работещи уреди за откриване на газове за свързване с газонепроницаемите модели за DTA, TGA, STA и дилатометри. Разбира се, тези детектори за газ, които регистрираха промените в топлопроводимостта (EGA), плътността на газа (EGD) или радиоактивността (ETA) на газ от пробата по време на експеримента, не бяха съвсем задоволителни въпреки своята простота и факта, че някои от тях имаха висока чувствителност на откриване: Те показват само, че газовете са еволюирали или са били абсорбирани, но не и кои!

Идентификацията на газовете обаче е била толкова актуална тема по онова време, колкото и днес. Но кои системи за анализ на газове са били на разположение първоначално? Фокусът на развойната дейност бързо се насочи към квадруполния масспектрометър поради неговата компактност и висока чувствителност на откриване (1960 г: Изобретяването на квадруполния масспектър от германския физик и по-късен носител на Нобелова награда Волфганг Паул и неговия сътрудник Хелмут Щайнведел в университета в Бон).

От 1970 г. насам развитието на инструментите в NETZSCH също е насочено към по-компактни размери с по-малки и следователно по-бързи пещи, намалени камери за проби за по-добро продухване с газ и вакуумна херметичност за постигане на чиста газова атмосфера при пробите. Това е основно изискване за разумното свързване на чувствителни системи за газов анализ. Също така от 1970 г. в системите за управление на уредите се използва електроника, разработена от Карл Байройтер и неговия екип в NETZSCH. Това направи инструментите по-гъвкави и по-прецизни, особено в областта на температурния контрол и събирането на данни от измерванията.

1973: Свързване на масспектрометри (MS)

Групата NETZSCH, състояща се от отделните германски компании Gebrüder NETZSCH-Anlagenbau, NETZSCH-Mohnopumpen, NETZSCH-Feinmahltechnik, NETZSCH-Newamatik, NETZSCH-Gerätebau и NETZSCH-Vertriebsgesellschaft, е в приповдигнато настроение и празнува своята ^{100-годишнина} на 1 юли 1973 г. заедно с чуждестранните си дъщерни дружества на уж "изключително пищно фирмено парти" в Зелб. (Започнах работа в NETZSCH-Gerätebau 100 години и един ден след основаването на NETZSCH; т.е. точно в деня след честването на 100-годишнината. И до днес не мога да отговоря на въпроса защо не бях там ...)

Още в началото на 70-те години Balzers от Лихтенщайн се радваше на добра репутация за своите квадруполни масспектрометри (QMS) за контрол на процеси. NETZSCH-Интересът на Gerätebau към сътрудничество с Balzers за разработване на MS куплунг за STA 429 беше много голям, а Balzers от своя страна беше впечатлен от отвореността на NETZSCH за оптимизиране на интегрируеми системи за подаване на газ. Така в техническия отдел на Герхард Брьоер и неговия екип беше конструирана система за вкарване на газ, състояща се от платинена капилярка и платинена диафрагмена плоча надолу по веригата.

В резултат на това се получи съединител за масспектрометър, който все още функционира при температури далеч над 1000°C, и механично прецизен модулен компонент за монтаж в 1600°C пещта на STA 429.

1974 г.: Представяне на първия и уникален NETZSCH-Balzers Mass Spectrometer Coupling

Изпускателната система на новия интерфейс за свързване е двустепенна ротационна вакуумна помпа в първата степен (Pt капиляр). Високото ниво на вакуума, необходимо за изсмукване на Pt капиляра, йонния източник и квадруполния масфилтър, се осигурява от дифузионна помпа с нискофрагментен (отнасящ се до фоновия спектър на MS) полифенилов етер лубрикант като помпа medium.

Пещта, свързващата система и високовакуумната помпа са монтирани на вертикален "асансьор", за да се осигури свободен достъп до носителя на пробата за смяна на пробата в STA. Има дори място за допълнителни пещи за "нормални" STA тестове.

Оборудването е използвано в университета в Констанц за изследване на силикати и е поддържано последователно, внимателно и надеждно от сервизния отдел на NETZSCH в продължение на много десетилетия.

през 1974 г. се основава и сдружение с нестопанска цел за термичен анализ в немскоговорящата област - GEFTA. Решаваща роля за създаването на новата асоциация изиграват две имена: Д-р инж. Ханс Леман от Клаустхал-Целерфелд и д-р Волф-Дитер Емерих от NETZSCH в Зелб, които убеждават няколко служители на NETZSCH също да станат учредители на GEFTA; това позволява асоциацията да започне с около 20 членове.

Университетът в Констанц е избран за място на провеждане на^{третата} годишна среща на GEFTA още през 1976 г., което е признание за дейностите в областта на термичния анализ на място. GEFTA вече е успяла да увеличи броя на членовете си до над 50 души и се е превърнала в интегрираща асоциация на активни термични анализатори и изследователи, паралелно с националните организации на съседните държави.

1975 г.: начало на традиция на семинари по темата за системите за анализ на съединителни газове

В края на 1975 г. този масспектрометричен съединител с платинена капилярка и отвор е представен на по-голяма международна група от заинтересовани страни по повод на първоначален семинар, озаглавен "NETZSCH-Balzers-MTA High-Temperature Coupling Systems" (MTA означава масспектрометричен термичен анализ, съкращение, което днес вече не се използва). Заедно с това NETZSCH реализира и значително по-опростено съединение за масспектрометър със стоманена капилярка и платинен отвор, предлагано по-късно от Balzers като отделен модул за вход на газ или в компактно решение с Thermostar. В този случай вземането на газови проби се извършваше на газовия изход на съответната пещ, което позволяваше свързване с всички газонепроницаеми инструменти като DTA, TGA, STA и дилатометри. Уникално предимство пред предложенията на конкурентите е цялостното и регулируемо нагряване до 200°C на изхода на газа в пещта.

И така, какви бяха следващите стъпки с високотемпературната свързваща система?

Намереното техническо решение, практическото изпълнение и чувствителността на откриване на масспектрометъра в ppm-обхвата в комбинация с термичен анализ изглеждаха повече от адекватни за всички проблеми и приложения. Зад дребните недостатъци в експерименталния проект и оценката стоят бавната регистрация с многоканалните точкови принтери, относително бавната скорост на сканиране на масспектрометъра и понякога твърде многото пикове във фоновия спектър. Да, понякога имаше и атоми, молекули и съединения, които просто не намираха пътя си през капиляра и отвора, които бяха термично унищожени по пътя или които не можеха да бъдат надеждно отнесени към регистрираните MS пикове. Понякога се налагаше да се разгръщат дълги метри платна от записваща хартия, за да се намери "единственото" подходящо отклонение на MS сигнала.

Дискусиите с перспективите, които се интересуват от интегрираното свързване на MS-STA, доведоха до нови материали при проектирането на системата за подаване на газ в пещта на STA. За тези приложения платината беше изключена поради каталитичния ѝ ефект върху пробите и продуктите от разлагането, които трябва да бъдат открити. Бяха избрани тръби от синтерован корунд с висока чистота, за които се очакваше да имат добра устойчивост за работния температурен диапазон. Предстоящите предизвикателства, като например пробиването на small отвори с лазер (орифици) в дъното на тръбите и запояването им към метални фланци, бяха решени в сътрудничество с производители на керамика и специализирани институти. Беше създадена система с два отвора.

1978: Доставка на STA 429 със система с двоен отвор

Институтът за изследвания на твърдото тяло "Макс Планк" в Щутгарт, Германия, беше първият клиент на нашия двуканален съединител.

Друга изследователска област, която се превърна в център на внимание, беше свързана с "безопасното" обезвреждане на радиоактивни отпадъци в контекста на ядрените изследвания. Изследователският център в Юлих (по това време все още Център за ядрени изследвания в Юлих) закупи STA 429 със система с двоен отвор, за да изследва отделянето на газ от стъклени отпадъчни материали. Проф. д-р Райнхард Одой (1973 г. - 2009 г., директор на отдела за изследване на безопасността и реакторната технология в Изследователския център в Юлих) и негов колега имат значителен принос за оптимизирането на високотемпературния MS съединител за тази област на приложение. Една от целите беше система за подаване на газ, която да позволява надеждно откриване на метални пари като цезий, селен, телур, рутениеви оксиди и сребро (като референтни вещества с летливост, подобна на тази на радиоактивните отпадъци). Високотемпературният MS съединител беше значително оптимизиран за това приложение в сътрудничество с професори от изследователския център. Проучванията доведоха до дисертация с описание на многото отделни стъпки до "skimmer съединение", направено от метал със значително намалени разстояния между пробата, входа за газ и MS-йонния източник, всичко това със съответно къса пещ.

Прехвърлянето на това "институтско решение" към произведената в търговската мрежа skimmer система за свързване на NETZSCH беше много сложно. Препроектирането на пещта и търсенето на оптимални Skimmer материали за различни работни температури и диапазони са само някои от ключовите моменти. Бяха реализирани скимери, изработени от устойчив на високи температури метал, кварцово стъкло, алуминиев оксид и стъклен въглерод. Впоследствие алуминият и стъкленият въглерод се оказаха най-универсални и практични за различни температурни диапазони и атмосфери на пробите.

Разработването на инструментите е облагодетелствано от факта, че продуктовата гама на пещите на NETZSCH се е разширила от нискотемпературния диапазон от -180°C до 2400°C, за генериране на вакуум са започнали да се използват надеждни турбомолекулярни помпи, а също така са разработени компактни подемни устройства.

1985 г.: Представяне на първия в света уникален високотемпературен съединител със система за подаване на газ Skimmer

Успоредно с по-нататъшното развитие на съединителя с отвора към съединителя Skimmer, описано по-горе, в (цялостния) университет в Падерборн, катедра "Химия", ръководен от проф. д-р Антониус Кетруп, беше разработен нов център за високи постижения в областта на изследванията на околната среда, горивата и енергията с двойноприемников съединител STA 429 MS. Изключително ползотворното сътрудничество с проф. д-р Антониус Кетруп и неговия екип доведе и до подобрения на инструментите (автоматичен контрол на налягането във входната система) и до препроектиране на инструментите след преместването на изследователския екип в Нойерберг край Мюнхен в известния тогава като Изследователски център за околна среда и здраве GASS. За изследвания в областта на околната среда (напр. изхвърляне на отпадъци, замърсени почви) в рамките на баварското финансиране на научни изследвания от NETZSCH беше изграден large=sample STA (обем на пробата до 170 cm³) с възможности за свързване на масспектрометри, FT-IR спектрометри и GC-MS инструменти.

Но какво ще се случи след това? Какви нови събития ще последват? Прочетете повече през следващите седмици..