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

NETZSCH-Gerätebau GmbH memiliki lebih dari setengah abad pengalaman pengembangan dalam teknologi kopling. Di bulan Maret, cari tahu dalam ringkasan sejarah bagaimana semuanya dimulai, sistem mana yang digunakan saat itu dan yang digunakan saat ini, dan baca kontribusi menarik dari pelanggan dan mitra lama kami.

Pada tahun 1973, fisikawan Erwin Kaisersberger bergabung dengan NETZSCH dan pada awalnya bertanggung jawab atas aplikasi & penjualan di Jerman dan luar negeri. Jenjang karier selanjutnya adalah sebagai Kepala Laboratorium Aplikasi, Kepala Penjualan Teknis, dan "Ilmuwan Senior" di Tim Dukungan Layanan & Aplikasi di seluruh dunia. Dimulai pada tahun 2007, ia bekerja untuk perusahaan sebagai konsultan lepas sebelum memasuki masa pensiun yang layak pada tahun 2012 - setelah 39 tahun bekerja. Dalam lima tahun terakhir, beliau mendedikasikan seluruh energinya secara khusus untuk bidang kopling TGA-GC-MS.

Erwin Kaisersberger telah menyusun sejarah sistem analisis gas kopling ke instrumen NETZSCH untuk kami:

Titik Awal pada tahun 1970

Seperti yang dapat Anda lihat dari catatan sejarah STA di artikel ulang tahun untuk Februari 2022, NETZSCH STA pertama dengan nomor model 429 diperkenalkan pada tahun 1970. Hal ini terjadi pada kesempatan Pameran Teknik Internasional di Brno (musim gugur 1970), yang pada saat itu dan masih bertahun-tahun kemudian merupakan pasar penting untuk bisnis dengan negara-negara Eropa Timur, di antaranya.

Hingga tahun 1970, NETZSCH menyukai filosofi bahwa lebih baik bekerja secara terpisah dengan DTA dan TGA, karena untuk DTA, laju pemanasan yang lebih cepat efektif untuk mendapatkan puncak yang lebih besar; untuk TGA, di sisi lain, laju pemanasan yang lebih lambat lebih disukai untuk menentukan perubahan massa dalam keadaan yang sedekat mungkin dengan kesetimbangan. Penerapan DTA dan TGA secara simultan pada satu sampel dalam kondisi yang sama, dengan cepat menjadi mapan.

Dengan diperkenalkannya STA 429, yang dirancang untuk kedap vakum dan gas sejak awal, kami memasuki segmen pasar baru dan bersaing langsung dengan produsen Eropa Barat lainnya; hal ini juga terjadi di Eropa Timur dengan derivatograf (Paulik dan Erdey). Khususnya pada kisaran suhu yang lebih tinggi, NETZSCH mampu membawa pengalamannya yang sudah lama di bidang anorganik, mineral dan keramik.

Bahkan sebelum tahun 1973, NETZSCH memiliki program produksi yang luas, seperti yang dinyatakan dalam brosur dilatometer dari tahun 1973 (artikel ulang tahun dari Januari 2022). Ini juga termasuk instrumen pendeteksi gas yang beroperasi secara terus-menerus untuk dipasangkan dengan model kedap gas untuk DTA, TGA, STA, dan dilatometer. Tentu saja detektor gas ini, yang mencatat perubahan Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal (EGA), densitas gas (EGD) atau radioaktivitas (ETA) dari sampel gas selama percobaan, tidak cukup memuaskan meskipun kesederhanaannya dan beberapa di antaranya memiliki sensitivitas pendeteksian yang tinggi: Alat-alat ini hanya menunjukkan bahwa gas telah berevolusi atau diserap, tetapi tidak menunjukkan gas yang mana!

Namun, identifikasi gas merupakan topik yang sedang hangat saat itu seperti halnya saat ini. Namun, sistem analisis gas mana yang pada awalnya tersedia? Fokus pekerjaan pengembangan dengan cepat beralih ke spektrometer massa kuadrupol karena kekompakan dan sensitivitas pendeteksiannya yang tinggi (1960: Penemuan filter massa kuadrupol oleh fisikawan Jerman dan kemudian pemenang Hadiah Nobel, Wolfgang Paul, dan rekan kerjanya, Helmut Steinwedel, di Universitas Bonn).

Sejak tahun 1970, pengembangan instrumen di NETZSCH juga diarahkan pada dimensi yang lebih ringkas dengan tungku yang lebih kecil dan dengan demikian lebih cepat, ruang sampel yang diperkecil untuk pembersihan gas yang lebih baik dan kekedapan vakum untuk mencapai atmosfer gas yang bersih pada sampel. Hal ini merupakan persyaratan dasar untuk penggabungan yang masuk akal dari sistem analisis gas yang sensitif. Juga mulai tahun 1970, elektronik yang dikembangkan oleh Karl Bayreuther dan timnya di NETZSCH digunakan dalam sistem kontrol instrumen. Hal ini membuat instrumen menjadi lebih fleksibel dan lebih presisi, terutama dalam kontrol suhu dan akuisisi data pengukuran.

1973: Penggabungan Spektrometer Massa (MS)

Grup NETZSCH, yang terdiri dari masing-masing perusahaan Jerman Gebrüder NETZSCH-Anlagenbau, NETZSCH-Mohnopumpen, NETZSCH-Feinmahltechnik, NETZSCH-Newamatik, NETZSCH-Gerätebau dan NETZSCH-Vertriebsgesellschaft, sangat antusias dan merayakan hari jadinya yang ^ke-100 pada tanggal 1 Juli 1973 bersama dengan anak perusahaan asingnya dalam sebuah acara yang dikenal sebagai "pesta perusahaan yang sangat mewah" di Jerman. (Saya mulai bekerja untuk NETZSCH-Gerätebau 100 tahun dan satu hari setelah berdirinya NETZSCH; yaitu, tepat sehari setelah perayaan 100 tahun. Sampai hari ini, saya tidak bisa menjawab pertanyaan mengapa saya tidak ada di sana...)

Pada awal tahun 70-an, Balzers dari Liechtenstein menikmati reputasi yang baik untuk spektrometer massa kuadrupol (QMS) untuk kontrol proses. NETZSCH-Minat Gerätebau untuk berkolaborasi dengan Balzers untuk mengembangkan kopling MS untuk STA 429 sangat tinggi dan Balzers, pada gilirannya, terkesan dengan keterbukaan pikiran di NETZSCH untuk pengoptimalan sistem saluran masuk gas yang dapat diintegrasikan. Dengan demikian, di departemen teknis Gerhard Bräuer dan timnya, sistem saluran masuk gas yang terdiri dari kapiler platina dan pelat lubang platina hilir dibangun.

Hal ini menghasilkan kopling spektrometer massa yang masih berfungsi pada suhu jauh di atas 1000°C dan komponen modular dengan presisi tinggi secara mekanis untuk dipasang di tungku 1600°C pada STA 429.

1974: Pengenalan Kopling Spektrometer Massa Balzer yang Pertama dan Unik NETZSCH-Balzer Mass Spectrometer

Pembuangan untuk antarmuka kopling yang baru adalah pompa vakum putar dua tahap pada tahap pertama (kapiler Pt). Tingkat vakum tinggi yang diperlukan untuk mengosongkan lubang Pt, sumber ion dan filter massa kuadrupol disediakan oleh pompa difusi dengan pelumas polifenil eter dengan fraksi rendah (mengacu pada spektrum latar belakang MS) sebagai pemompaan medium.

Tungku, sistem kopling dan pompa vakum tinggi dipasang pada "lift" vertikal untuk memungkinkan akses bebas ke pembawa sampel untuk penggantian sampel dalam STA. Bahkan ada ruang untuk tungku tambahan untuk pengujian STA "normal".

Peralatan ini digunakan di University of Constance untuk investigasi silikat dan telah dipelihara secara konsisten, hati-hati, dan andal oleh Departemen Layanan NETZSCH selama beberapa dekade.

tahun 1974 juga menandai berdirinya asosiasi nirlaba untuk analisis termal di wilayah berbahasa Jerman, GEFTA. Di antara yang lainnya, ada dua nama yang berperan penting dalam pendirian asosiasi baru ini: Prof.-Dr. Hans Lehmann dari Clausthal-Zellerfeld dan Dr. Wolf-Dieter Emmerich dari NETZSCH di Selb, yang membujuk beberapa karyawan NETZSCH untuk menjadi anggota pendiri GEFTA; hal ini memungkinkan asosiasi untuk memulai dengan sekitar 20 anggota.

University of Constance dipilih sebagai tempat pertemuan tahunan GEFTA^ke-3 pada awal tahun 1976, sebagai penghargaan atas kegiatan di bidang analisis termal di lokasi. GEFTA telah mampu meningkatkan keanggotaannya menjadi lebih dari 50 orang dan telah menjadi asosiasi yang mengintegrasikan analis termal aktif dan peneliti yang sejajar dengan organisasi nasional negara-negara tetangga.

1975: Awal dari Tradisi Seminar tentang Subjek Sistem Analisis Gas Kopling

Pada akhir tahun 1975, kopling spektrometer massa dengan kapiler dan lubang platina ini diperkenalkan kepada kelompok internasional yang lebih besar dari pihak yang berkepentingan pada kesempatan seminar awal yang berjudul "NETZSCH-Balzers-MTA High-Temperature Coupling Systems" (MTA adalah singkatan dari analisis termal spektrometri massa, singkatan yang tidak lagi digunakan sekarang). Bersamaan dengan itu, NETZSCH juga merealisasikan kopling spektrometer massa yang jauh lebih sederhana dengan kapiler baja dan lubang platina, seperti yang ditawarkan kemudian oleh Balzers sebagai modul saluran masuk gas yang terpisah, atau dalam solusi ringkas dengan Thermostar. Dalam hal ini, pengambilan sampel gas dilakukan di saluran keluar gas dari masing-masing tungku, yang memungkinkan penyambungan ke semua instrumen kedap gas seperti DTA, TGA, STA, dan dilatometer. Nilai jual yang unik dibandingkan dengan penawaran kompetitor adalah pemanasan yang komprehensif dan dapat disesuaikan hingga 200°C dari saluran keluar gas di tungku.

Jadi, apa langkah selanjutnya dengan sistem kopling suhu tinggi?

Solusi teknis yang ditemukan, pelaksanaan praktis dan sensitivitas deteksi spektrometer massa dalam rentang ppm yang dikombinasikan dengan analisis termal tampak lebih dari cukup untuk semua masalah dan aplikasi. Kelemahan kecil dalam desain eksperimental dan evaluasi berada di balik lambatnya registrasi dengan printer dot multi-saluran, kecepatan pemindaian spektrometer massa yang relatif lambat dan puncak yang terkadang terlalu banyak dalam spektrum latar belakang. Ya, kadang-kadang ada juga atom, molekul, dan senyawa yang tidak menemukan jalan melalui kapiler dan lubang, yang dihancurkan secara termal dalam perjalanan, atau yang tidak dapat dirujuk secara andal dari puncak MS yang terdaftar. Kadang-kadang, gulungan kertas perekam sepanjang beberapa meter harus dibuka untuk menemukan "satu" defleksi perekam yang relevan dari sinyal MS.

Diskusi dengan prospek yang tertarik dengan kopling MS-STA terintegrasi menghasilkan bahan baru dalam desain sistem saluran masuk gas di tungku STA. Untuk aplikasi ini, platina tidak dapat digunakan karena efek katalitiknya pada sampel dan produk Reaksi penguraianReaksi penguraian adalah reaksi yang diinduksi secara termal dari senyawa kimia yang membentuk produk padat dan/atau gas. penguraian yang akan dideteksi. Tabung korundum sinter dengan kemurnian tinggi dipilih yang diharapkan memiliki ketahanan yang baik untuk rentang suhu operasional. Tantangan ke depan seperti mengebor small bukaan dengan laser (lubang) di bagian bawah tabung dan menyoldernya ke flensa logam diselesaikan melalui kerja sama dengan produsen keramik dan lembaga khusus. Sistem lubang ganda pun diciptakan.

1978: Pengiriman STA 429 dengan Sistem Lubang Ganda

Max Planck Institute for Solid State Research, Stuttgart, Jerman, adalah pelanggan pertama kopling lubang ganda kami.

Bidang penelitian lain yang menjadi fokus perhatian adalah pembuangan bahan limbah radioaktif yang "aman" dalam konteks penelitian nuklir. Pusat Penelitian Jülich (saat itu masih bernama Jülich Nuclear Research Facility) membeli STA 429 dengan sistem lubang ganda untuk meneliti pelepasan gas dari bahan limbah vitrifikasi. Reinhard Odoj (1973 - 2009 direktur penelitian keselamatan dan teknologi reaktor di Pusat Penelitian Jülich) dan koleganya memberikan kontribusi yang signifikan terhadap optimalisasi kopling MS suhu tinggi untuk area aplikasi ini. Salah satu tujuannya adalah sistem saluran masuk gas yang memungkinkan deteksi uap logam yang andal seperti cesium, selenium, telurium, ruthenium oksida, dan perak (sebagai zat referensi dengan volatilitas yang mirip dengan limbah radioaktif). Kopling MS suhu tinggi dioptimalkan secara signifikan untuk aplikasi ini melalui kerja sama dengan para profesor dari pusat penelitian. Penelitian ini menghasilkan sebuah disertasi dengan deskripsi tentang banyak langkah individual hingga "skimmer coupling", terbuat dari logam dengan jarak yang sangat diperkecil antara sampel, saluran masuk gas, dan sumber ion-MS, semuanya dengan tungku yang pendek.

Pemindahan "solusi institut" ini ke sistem kopling skimmer yang diproduksi secara komersial di NETZSCH sangat canggih. Desain ulang tungku dan pencarian bahan Skimmer yang optimal untuk suhu dan rentang operasi yang berbeda hanyalah beberapa poin utama. Skimmer yang terbuat dari logam tahan suhu tinggi, kaca kuarsa, alumina, dan karbon kaca telah direalisasikan. Alumina dan karbon kaca kemudian terbukti menjadi yang paling serbaguna dan praktis untuk rentang suhu dan atmosfer sampel yang berbeda.

Pengembangan instrumen diuntungkan oleh fakta bahwa rangkaian produk tungku di NETZSCH telah berkembang dari kisaran suhu rendah -180°C hingga 2400°C, pompa turbomolekuler yang andal mulai digunakan untuk menghasilkan vakum, dan perangkat pengangkat yang ringkas juga telah dirancang.

1985: Pengenalan Kopling Suhu Tinggi Pertama dan Unik di Dunia dengan Sistem Saluran Masuk Gas Skimmer

Sejalan dengan pengembangan lebih lanjut dari kopling orifice ke kopling Skimmer yang diuraikan di atas, pusat keunggulan baru untuk penelitian lingkungan, bahan bakar dan energi dikembangkan di Universitas (Komprehensif) Paderborn, Departemen Kimia yang dipimpin oleh Prof. Dr. Antonius Kettrup dengan kopling lubang ganda STA 429 MS. Antonius Kettrup dan timnya juga menghasilkan peningkatan instrumental (kontrol tekanan otomatis pada sistem saluran masuk) dan desain ulang instrumen setelah kepindahan tim peneliti ke Neuherberg dekat Munich ke tempat yang saat itu dikenal sebagai Pusat Penelitian GASS untuk Lingkungan dan Kesehatan. Untuk penelitian lingkungan (misalnya, pembuangan limbah, tanah yang terkontaminasi), sebuah large=sample STA (volume sampel hingga 170 cm³) dengan kemungkinan untuk menggabungkan spektrometer massa, spektrometer FT-IR, dan instrumen GC-MS dibangun oleh NETZSCH dalam kerangka pendanaan penelitian Bavaria.

Tapi apa yang akan terjadi selanjutnya? Perkembangan baru apa yang akan terjadi selanjutnya? Baca lebih lanjut dalam beberapa minggu mendatang..