A NETZSCH műszerekkel összekapcsolt gázelemző rendszerek: Hogyan kezdődött minden

NETZSCH-A Gerätebau GmbH több mint fél évszázados fejlesztési tapasztalattal rendelkezik a kapcsolástechnika területén. Március hónapban egy történelmi összefoglalóból megtudhatja, hogyan kezdődött minden, milyen rendszereket használtak akkor és milyeneket használnak ma, és olvashat izgalmas hozzászólásokat régi ügyfeleinktől és partnereinktől.

Erwin Kaisersberger fizikus 1973-ban csatlakozott a NETZSCH honlaphoz, és kezdetben a németországi és külföldi alkalmazásokért és értékesítésért felelt. További karrierépítési lépések következtek, mint az alkalmazási laboratórium vezetője, a műszaki értékesítés vezetője és a világméretű szerviz- és alkalmazástámogatási csoport "vezető tudósa". 2007-től kezdve szabadúszó tanácsadóként dolgozott a vállalatnak, mielőtt 2012-ben - 39 év munkaviszony után - jól megérdemelt nyugdíjba vonult. Az utolsó öt évben minden energiáját kifejezetten a TGA-GC-MS csatolás területének szentelte.

Erwin Kaisersberger összeállította számunkra a gázelemző rendszerek és a NETZSCH műszerek összekapcsolásának történetét:

Kiindulópont 1970-ben

Amint a 2022. februári évfordulós cikkben az STA történetéről szóló beszámolóból kiderül, az első NETZSCH STA 429-es modellszámmal 1970-ben jelent meg. Erre a brünni Nemzetközi Gépészeti Vásár alkalmával került sor (1970 őszén), amely akkoriban és még sok évvel később is fontos piactér volt többek között a kelet-európai országokkal folytatott üzleteknek.

1970-ig a NETZSCH azt a filozófiát képviselte, hogy jobb külön DTA-val és TGA-val dolgozni, mivel a DTA esetében a gyorsabb fűtési sebességek nagyobb csúcsértékek elérését eredményezték; a TGA esetében viszont a lassabb fűtési sebességeket részesítették előnyben, hogy az egyensúlyi állapothoz minél közelebbi állapotban történő tömegváltozást határozzák meg. A DTA és a TGA egyidejű alkalmazása egyetlen mintán, azonos körülmények között azonban gyorsan bevált.

Az STA 429 bevezetésével, amelyet kezdettől fogva vákuum- és gázzárónak terveztek, új piaci szegmensbe léptünk be, és azonnal versenybe szálltunk más nyugat-európai gyártókkal; ugyanez volt a helyzet Kelet-Európában a derivatográffal is (Paulik és Erdey). A NETZSCH különösen a magasabb hőmérsékleti tartományban tudta a szervetlen anyagok, ásványok és kerámiák területén szerzett hosszú távú tapasztalatait kamatoztatni.

A NETZSCH már 1973 előtt is széleskörű gyártási programmal rendelkezett, amint azt az 1973-as dilatométeres prospektus (2022. januári jubileumi cikk) is tartalmazza. Ez magában foglalta a DTA, TGA, STA és dilatométerek gázzáró modelljeihez kapcsolható, folyamatosan működő gázérzékelő műszereket is. Természetesen ezek a gázdetektorok, amelyek a kísérlet során regisztrálták a mintagáz hővezetőképességének (EGA), gázsűrűségének (EGD) vagy radioaktivitásának (ETA) változását, egyszerűségük és annak ellenére, hogy némelyikük nagy érzékelési érzékenységgel rendelkezett, nem voltak egészen kielégítőek: Csak azt mutatták meg, hogy gázok fejlődtek vagy elnyelődtek, de azt nem, hogy melyek voltak azok!

A gázazonosítás azonban akkoriban is ugyanolyan aktuális téma volt, mint ma. De milyen gázelemző rendszerek álltak kezdetben rendelkezésre? A fejlesztések középpontjában hamar a négypólusú tömegspektrométer állt, annak kompaktsága és nagy detektálási érzékenysége miatt (1960: A négypólusú tömegszűrő feltalálása a német fizikus és későbbi Nobel-díjas Wolfgang Paul és munkatársa, Helmut Steinwedel által a Bonni Egyetemen).

1970 óta a műszerfejlesztés a NETZSCH honlapon is a kompaktabb méretek felé irányult, kisebb és így gyorsabb kemencékkel, csökkentett mintakamrákkal a jobb gáztisztítás és vákuumzárás érdekében, hogy a mintáknál tiszta gázatmoszférát érjenek el. Ez alapvető követelmény volt az érzékeny gázelemző rendszerek ésszerű összekapcsolásához. Szintén 1970-től kezdődően a műszerek vezérlőrendszereiben Karl Bayreuther és csapata által a NETZSCH honlapon kifejlesztett elektronikát használtak. Ez rugalmasabbá és pontosabbá tette a műszereket, különösen a hőmérséklet-szabályozás és a mérési adatgyűjtés terén.

1973: Tömegspektrométerek összekapcsolása (MS)

A NETZSCH csoport, amely a Gebrüder NETZSCH-Anlagenbau, NETZSCH-Mohnopumpen, NETZSCH-Feinmahltechnik, NETZSCH-Newamatik, NETZSCH-Gerätebau és NETZSCH-Vertriebsgesellschaft egyes német vállalatokból állt, jókedvű volt, és 1973. július 1-jén külföldi leányvállalataival együtt ünnepelte ¹⁰⁰ éves fennállását egy állítólag "rendkívül pazar céges partin" Selbben. (Én 100 évvel és egy nappal a NETZSCH alapítása után kezdtem el dolgozni a NETZSCH-Gerätebau-nál; azaz pontosan a 100 éves ünnepség másnapján. A mai napig nem tudok választ adni arra a kérdésre, hogy miért nem voltam ott ...)

A liechtensteini Balzers már a 70-es évek elején jó hírnévnek örvendett a folyamatszabályozásra szolgáló négypólusú tömegspektrométereivel (QMS). NETZSCH-A Gerätebau érdeklődése a Balzers-szel való együttműködés iránt, hogy az STA 429-es készülékhez MS-csatlakozót fejlesszenek ki, nagyon nagy volt, a Balzers-t pedig lenyűgözte a NETZSCH honlap nyitottsága az integrálható gázbevezető rendszerek optimalizálására. Így Gerhard Bräuer és csapata műszaki osztályán egy platina kapillárisból és egy utána következő platina nyíláslemezből álló gázbevezető rendszert építettek ki.

Ennek eredményeképpen egy olyan tömegspektrométer-csatlakozás jött létre, amely még jóval 1000 °C feletti hőmérsékleten is működik, és egy mechanikailag nagy pontosságú moduláris alkatrész, amelyet az STA 429 1600 °C-os kemencéjébe lehet beépíteni.

1974: Az első és egyedülálló NETZSCH-Balzers tömegspektrométer-csatolás bevezetése

Az új csatlakozófelület kipufogója egy kétfokozatú forgó vákuumszivattyú az első fokozatban (Pt-kapilláris). A Pt-nyílás, az ionforrás és a négypólusú tömegszűrő elszívásához szükséges nagyfokú vákuumot egy diffúziós szivattyú biztosítja, amely szivattyúzásként alacsony töredezettségű (az MS háttérspektrumra vonatkoztatva) polifenil-éter kenőanyagot használ medium.

A kemence, a kapcsolórendszer és a nagyvákuumú szivattyú függőleges "emelőre" van szerelve, hogy a STA-ban történő mintacseréhez szabad hozzáférést biztosítson a mintatartóhoz. Még további kemencék számára is van hely a "normál" STA-vizsgálatokhoz.

A berendezést a Konstanzi Egyetemen használták szilikátok vizsgálatára, és a NETZSCH szervizosztálya évtizedek óta következetesen, gondosan és megbízhatóan karbantartja.

1974-ben megalakul a német nyelvterületen a GEFTA, a hőelemzéssel foglalkozó nonprofit egyesület. Az új egyesület megalapításában többek között két név játszott meghatározó szerepet: Prof.-Dr. Ing. Hans Lehmann Clausthal-Zellerfeldből és Dr. Wolf-Dieter Emmerich a NETZSCH Selbből, akik meggyőzték a NETZSCH több munkatársát, hogy szintén alapító tagjai legyenek a GEFTA-nak; ennek köszönhetően az egyesület mintegy 20 taggal indult.

Már 1976-ban a konstanzi egyetemet választották a GEFTA^3. éves találkozójának helyszínéül, ami a termikus analízis területén a helyszínen végzett tevékenységek elismerése. A GEFTA már 50 fő fölé tudta növelni tagságát, és a szomszédos országok nemzeti szervezeteivel párhuzamosan az aktív termikus analitikusok és kutatók integráló egyesületévé vált.

1975: A gázelemző rendszerek összekapcsolása témájú szemináriumok hagyományának kezdete

1975 végén ezt a platina kapillárissal és nyílással ellátott tömegspektrométer-csatlakozást bemutatták az érdeklődők egy nagyobb nemzetközi csoportjának egy első szeminárium alkalmával "NETZSCH-Balzers-MTA High-Temperature Coupling Systems" címmel (az MTA a tömegspektrometrikus termikus analízis rövidítése, amelyet ma már nem használnak). Ezzel együtt a NETZSCH egy lényegesen egyszerűbb tömegspektrométer-kapcsolást is megvalósított acélkapillárral és platina nyílással, ahogy azt később a Balzers külön gázbevezető modulként, vagy a Thermostarral kompakt megoldásként kínálta. Ebben az esetben a gázmintavétel az adott kemence gázkimeneténél történt, lehetővé téve az összes gázzáró műszerhez, például DTA, TGA, STA és dilatométerekhez való csatlakoztatást. A versenytársak kínálatával szemben egyedülálló értékesítési szempont volt a kemence gázkimenetének átfogó és 200°C-ra állítható fűtése.

Mik voltak tehát a következő lépések a magas hőmérsékletű csatolórendszerrel?

A megtalált műszaki megoldás, a gyakorlati kivitelezés és a tömegspektrométer ppm-tartományban történő kimutatási érzékenysége a termikus analízissel kombinálva több mint megfelelőnek tűnt minden aggodalomra és alkalmazásra. A kísérleti tervezés és kiértékelés kisebb hibái a többcsatornás pontnyomtatók lassú regisztrálása, a tömegspektrométer viszonylag lassú pásztázási sebessége és a háttérspektrumban néha túl sok csúcs jelent meg. Igen, néha voltak olyan atomok, molekulák és vegyületek is, amelyek egyszerűen nem találtak utat a kapilláron és a nyíláson keresztül, amelyek útközben termikusan megsemmisültek, vagy amelyekre nem lehetett megbízhatóan utalni a regisztrált MS-csúcsokból. Néha méteres felvevőpapír-hálókat kellett letekerni, hogy megtaláljuk az MS-jel "egyetlen" releváns felvevő eltérítését.

Az integrált MS-STA összekapcsolás iránt érdeklődő érdeklődőkkel folytatott megbeszélések új anyagokhoz vezettek az STA kemencéjében lévő gázbevezető rendszer kialakításában. Ezeknél az alkalmazásoknál a platina a mintákra és a detektálandó bomlástermékekre gyakorolt katalitikus hatása miatt nem jöhetett szóba. Nagy tisztaságú szinterezett korundcsöveket választottak, amelyek várhatóan jó ellenállással rendelkeznek az üzemi hőmérséklettartományban. Az előttünk álló kihívásokat, mint például a small nyílások lézerrel történő fúrása a csövek aljába és a fémkarimákhoz való forrasztása, kerámiagyártókkal és szakosodott intézetekkel együttműködve oldottuk meg. Kettős nyílású rendszert hoztak létre.

1978: Az STA 429 dupla nyílású rendszerrel történő szállítása

A Max Planck Institute for Solid State Research (Stuttgart, Németország) volt a kettős nyílású tengelykapcsolónk első ügyfele.

Egy másik kutatási terület, amely a figyelem középpontjába került, a nukleáris kutatással összefüggésben a radioaktív hulladékok "biztonságos" elhelyezésére vonatkozott. A Jülichi Kutatóközpont (akkor még Jülichi Nukleáris Kutatóintézet) egy STA 429-et vásárolt dupla nyílású rendszerrel, hogy az üvegezett hulladékanyagok gázkibocsátását kutassa. Prof. Dr. Reinhard Odoj (1973 - 2009 a Jülichi Kutatóközpont biztonsági kutatási és reaktortechnikai igazgatója) és munkatársa jelentősen hozzájárult a magas hőmérsékletű MS-kapcsolás optimalizálásához ezen alkalmazási terület számára. Az egyik cél egy olyan gázbevezető rendszer volt, amely lehetővé teszi az olyan fémgőzök, mint a cézium, szelén, tellúr, ruténium-oxidok és ezüst (mint a radioaktív hulladékhoz hasonló illékonyságú referenciaanyagok) megbízható kimutatását. A magas hőmérsékletű MS-kapcsolást a kutatóközpont professzoraival együttműködve jelentősen optimalizálták erre az alkalmazásra. A vizsgálatok egy disszertációhoz vezettek, amelyben leírták a sok egyes lépést egészen a "skimmer csatolásig", amely fémből készült, a minta, a gázbevezetés és az MS-ionforrás közötti jelentősen csökkentett távolságokkal, mindezt megfelelően rövid kemencével.

Ennek az "intézeti megoldásnak" az átültetése egy kereskedelmi forgalomban gyártott skimmer csatolórendszerre a NETZSCH címen nagyon kifinomult volt. A kemence újratervezése és az optimális Skimmer anyagok keresése a különböző üzemi hőmérsékletekhez és tartományokhoz csak néhány a kulcspontok közül. Magas hőmérsékletnek ellenálló fémből, kvarcüvegből, timföldből és üvegszénből készült szkimmereket valósítottak meg. A timföld és az üvegszén később a legsokoldalúbbnak és legpraktikusabbnak bizonyult a különböző hőmérséklet-tartományok és minta atmoszférák esetében.

A műszerfejlesztésnek jót tett, hogy a NETZSCH weboldalon a kemencék termékpalettája az alacsony -180 °C-os hőmérséklettartománytól 2400 °C-ig terjedt, a vákuum előállításához megbízható turbómolekuláris szivattyúkat kezdtek használni, és kompakt emelőberendezéseket is terveztek.

1985: A világ első és egyedülálló magas hőmérsékletű csatlakozójának bevezetése a Skimmer gázbevezető rendszerrel

A nyíláskapcsolónak a fent vázolt Skimmer kapcsolóhoz való továbbfejlesztésével párhuzamosan a Paderborni Egyetem (átfogó) Kémiai Tanszékén, Prof. Dr. Antonius Kettrup vezetésével egy új kiválósági központot alakítottak ki a környezet-, üzemanyag- és energiakutatás területén, amely egy STA 429 MS kettős nyíláskapcsolóval rendelkezik. A Prof. Dr. Antonius Kettruppal és csapatával való nagyon gyümölcsöző együttműködés műszeres fejlesztéseket (automatikus nyomásszabályozás a bemeneti rendszeren) és a műszerek újratervezését is eredményezte, miután a kutatócsoport a München melletti Neuherbergbe költözött, az akkori GASS Környezet- és Egészségügyi Kutatóközpontba. A környezeti kutatásokhoz (pl. hulladéklerakás, szennyezett talajok) a large=mintatároló STA (mintatérfogat akár 170 cm³), tömegspektrométerek, FT-IR spektrométerek és GC-MS műszerek összekapcsolási lehetőségeivel a NETZSCH a bajor kutatási támogatás keretében épült.

De mi fog történni ezután? Milyen új fejlemények következnek? Olvasson többet az elkövetkező hetekben..