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

NETZSCH-커플링 기술 분야에서 반세기가 넘는 개발 경험을 쌓아온 Gerätebau GmbH. 3월 한 달 동안 이 모든 것이 어떻게 시작되었는지, 당시에는 어떤 시스템이 사용되었고 오늘날에는 어떤 시스템이 사용되고 있는지, 그리고 오랜 고객과 파트너의 흥미로운 기고문을 읽어보세요.

1973년 물리학자 에르빈 카이저스버거는 NETZSCH 에 입사하여 처음에는 독일과 해외에서 애플리케이션 및 영업을 담당했습니다. 이후 애플리케이션 연구소 책임자, 기술 영업 책임자, 전 세계 서비스 및 애플리케이션 지원팀의 '수석 과학자'로 경력을 쌓았습니다. 2007년부터는 프리랜서 컨설턴트로 일하다가 2012년 39년간의 직장 생활을 마치고 명예로운 은퇴를 맞이했습니다. 지난 5년 동안 그는 특히 TGA-GC-MS 결합 분야에 모든 에너지를 쏟았습니다.

에르빈 카이저스버거는 가스 분석 시스템 결합의 역사를 NETZSCH 계측기에 정리해 주었습니다:

1970년 시작점

2022년 2월 기념 기사의 STA 역사에 대한 설명에서 볼 수 있듯이, 모델 번호 429의 첫 번째 NETZSCH STA는 1970년에 소개되었습니다. 이는 브르노에서 열린 국제 엔지니어링 박람회(1970년 가을)를 계기로 이루어졌는데, 당시와 수년이 지난 지금도 동유럽 국가들과의 비즈니스를 위한 중요한 마켓플레이스였습니다.

1970년까지만 해도 NETZSCH 는 DTA의 경우 더 빠른 가열 속도가 더 큰 피크를 얻는 데 효과적이었고, 반면에 TGA의 경우 가능한 한 평형에 가까운 상태에서 질량 변화를 결정하기 위해 느린 가열 속도를 선호했기 때문에 DTA와 TGA를 별도로 사용하는 것이 더 좋다는 철학을 선호했습니다. 그러나 동일한 조건에서 단일 시료에 DTA와 TGA를 동시에 적용하는 것이 빠르게 정착되었습니다.

처음부터 진공 및 기체 밀폐형으로 설계된 STA 429를 도입하면서 새로운 시장 부문에 진출하여 다른 서유럽 제조업체들과 즉각적인 경쟁을 벌였고, 동유럽에서도 미분계(폴릭 및 에르데이)를 통해 이러한 경쟁이 벌어졌습니다. 특히 고온 범위에서 NETZSCH 는 무기, 광물 및 세라믹 분야에서 쌓아온 오랜 경험을 활용할 수 있었습니다.

1973년 이전에도 NETZSCH 은 1973년의 팽창계 브로셔(2022년 1월 기념 기사)에 명시된 바와 같이 광범위한 생산 프로그램을 갖추고 있었습니다. 여기에는 DTA, TGA, STA 및 팽창도계용 기밀 모델과 결합하기 위한 연속 작동 가스 감지 장비도 포함되었습니다. 물론 실험 중 시료 가스의 열전도도(EGA), 가스 밀도(EGD) 또는 방사능(ETA)의 변화를 기록하는 이러한 가스 감지기는 단순하고 일부 감지 감도가 높다는 사실에도 불구하고 만족스럽지 못했습니다: 가스가 진화했거나 흡수되었다는 것만 보여줄 뿐, 어떤 가스가 진화했는지는 보여주지 못했기 때문입니다!

그러나 가스 식별은 그 당시에도 오늘날과 마찬가지로 최신 화두였습니다. 하지만 초기에는 어떤 가스 분석 시스템이 있었을까요? 개발 작업의 초점은 컴팩트하고 검출 감도가 높은 4중극자 질량 분석기로 빠르게 전환되었습니다(1960: 독일 물리학자이자 훗날 노벨상 수상자인 볼프강 폴과 그의 동료인 본 대학의 헬무트 슈타인베델이 4중극자 질량 필터를 발명함).

1970년 이후 엔드레스하우저( NETZSCH )의 기기 개발은 더 작고 빠른 용광로, 더 나은 가스 퍼지를 위한 시료 챔버 축소, 시료에서 깨끗한 가스 분위기를 달성하기 위한 진공 기밀성을 갖춘 더 컴팩트한 크기로 향했습니다. 이는 민감한 가스 분석 시스템의 합리적인 결합을 위한 기본 요건이었습니다. 또한 1970년부터는 칼 바이로이터와 그의 팀( NETZSCH )이 자체 개발한 전자 장치가 기기의 제어 시스템에 사용되었습니다. 이를 통해 특히 온도 제어 및 측정 데이터 수집에서 계측기의 유연성과 정밀도가 향상되었습니다.

1973: 질량 분석기(MS)의 결합

독일 개별 기업 Gebrüder NETZSCH-Anlagenbau, NETZSCH-Mohnopumpen, NETZSCH-Feinmahltechnik, NETZSCH-Newamatik, NETZSCH-Gerätebau 및 NETZSCH-Vertriebsgesellschaft로 구성된 NETZSCH 그룹은 1973년 7월 1일 셀브에서 "매우 호화로운 회사 파티"로 유명한 ^100주년을 해외 자회사와 함께 축하하며 기분이 좋게 기념식을 거행했습니다. (저는 NETZSCH 창립 100년, 즉 100주년 기념행사 바로 다음 날부터 NETZSCH-Gerätebau에서 일하기 시작했습니다. 오늘날까지도 왜 내가 거기에 없었는지에 대한 질문에 대답 할 수 없습니다...)

리히텐슈타인의 발저스는 이미 70년대 초에 공정 제어용 4중극자 질량 분석기(QMS)로 좋은 평판을 얻었습니다. NETZSCH-STA 429용 MS 커플링을 개발하기 위해 발저스와 협력하는 것에 대한 게르테바우의 관심은 매우 높았고, 발저스 역시 통합 가능한 가스 유입 시스템의 최적화를 위한 NETZSCH 의 개방적인 사고방식에 깊은 인상을 받았습니다. 따라서 기술 부서에서 Gerhard Bräuer와 그의 팀은 백금 모세관과 다운스트림 백금 오리피스 플레이트로 구성된 가스 유입 시스템을 구축했습니다.

그 결과 1000°C 이상의 온도에서도 작동하는 질량 분석기 커플링과 STA 429의 1600°C 용광로에 설치하기 위한 기계적으로 고정밀 모듈식 구성품이 탄생했습니다.

1974년: 최초이자 유일한 NETZSCH-발저스 질량 분석기 커플링 출시

새로운 커플링 인터페이스의 배기는 첫 번째 단계(Pt 모세관)의 2단계 회전식 진공 펌프입니다. Pt 오리피스, 이온 소스 및 4중극자 질량 필터를 배출하는 데 필요한 높은 수준의 진공은 저분자(MS 배경 스펙트럼 참조) 폴리페닐 에테르 윤활제를 펌핑으로 사용하는 확산 펌프에 의해 제공됩니다 medium.

퍼니스, 커플링 시스템 및 고진공 펌프는 수직 "리프트"에 장착되어 STA에서 샘플 교체를 위해 샘플 캐리어에 자유롭게 접근할 수 있습니다. "일반" STA 테스트를 위한 추가 용광로를 위한 공간도 있습니다.

이 장비는 콘스탄스 대학교에서 규산염 조사를 위해 사용되었으며, 수십 년 동안 NETZSCH 서비스 부서에서 일관되고 신중하며 안정적으로 유지 관리해 왔습니다.

1974년은 독일어권에서 열 분석을 위한 비영리 협회인 GEFTA가 창립된 해이기도 합니다. 무엇보다도 이 새로운 협회의 창립에 결정적인 역할을 한 두 명의 이름이 있습니다: Prof.-Dr. 클라우스탈-젤러펠트의 한스 레만과 셀브의 볼프-디터 에메리히 박사( NETZSCH )는 여러 NETZSCH 직원들을 설득하여 GEFTA의 창립 멤버가 되게 했고, 그 결과 약 20명의 회원으로 협회가 시작될 수 있었습니다.

1976년 초 콘스탄스 대학교가^제3회 GEFTA 연례 회의 장소로 선정되었는데, 이는 현장 열 분석 분야의 활동에 대한 경의를 표한 것이었습니다. GEFTA는 이미 회원 수를 50여 명으로 늘릴 수 있었고, 주변 국가의 국가 조직과 병행하여 활발한 열 분석가 및 연구자들의 통합 협회가 되었습니다.

1975: 가스 분석 시스템 결합을 주제로 한 세미나의 전통 시작

1975년 말, 백금 캐필러리 및 오리피스를 갖춘 이 질량 분석기 커플링은 "NETZSCH-발저스-MTA 고온 커플링 시스템"이라는 제목의 초기 세미나를 통해 대규모 국제 이해 관계자 그룹에 소개되었습니다(MTA는 질량 분석 열 분석의 약자로, 현재는 더 이상 사용되지 않음). 이와 함께 NETZSCH 은 나중에 Balzers가 별도의 가스 유입 모듈로 제공하거나 Thermostar와 함께 컴팩트한 솔루션으로 제공한 강철 모세관 및 백금 오리피스와 함께 훨씬 더 간단한 질량 분석기 커플링을 실현했습니다. 이 경우 가스 샘플링은 각 퍼니스의 가스 배출구에서 수행되어 DTA, TGA, STA 및 팽창도계와 같은 모든 기밀 기기에 연결할 수 있습니다. 경쟁사 제품에 비해 고유한 판매 포인트는 퍼니스의 가스 배출구를 200°C까지 포괄적이고 조절 가능하게 가열할 수 있다는 점이었습니다.

그렇다면 고온 커플링 시스템의 다음 단계는 무엇이었을까요?

발견된 기술적 솔루션, 실용적인 실행 및 열 분석과 결합된 질량 분석기의 ppm 범위의 검출 감도는 모든 우려 사항과 응용 분야에 적합해 보였습니다. 실험 설계 및 평가의 사소한 결함은 다중 채널 도트 프린터를 사용한 느린 등록, 질량 분석기의 상대적으로 느린 스캔 속도, 배경 스펙트럼의 피크가 너무 많다는 점이었습니다. 또한 모세관과 오리피스를 통과하지 못하거나 도중에 열에 의해 파괴되거나 등록된 MS 피크에서 확실하게 참조할 수 없는 원자, 분자 및 화합물도 간혹 있었습니다. 때로는 수 미터 길이의 레코딩 페이퍼 웹을 펼쳐서 MS 신호의 "하나의" 관련 레코더 편향을 찾아야 하는 경우도 있었습니다.

통합 MS-STA 커플링에 관심이 있는 잠재 고객과의 토론을 통해 STA 용광로의 가스 유입 시스템 설계에 새로운 소재를 사용하게 되었습니다. 이러한 응용 분야에서 백금은 시료와 검출할 분해 생성물에 대한 촉매 효과 때문에 사용할 수 없었습니다. 작동 온도 범위에 대한 저항성이 좋을 것으로 예상되는 고순도 소결 커런덤 튜브가 선택되었습니다. 튜브 바닥에 레이저로 구멍( small )을 뚫고 금속 플랜지에 납땜하는 등의 과제는 세라믹 제조업체 및 전문 기관과의 협력을 통해 해결했습니다. 이중 오리피스 시스템이 탄생했습니다.

1978: 이중 오리피스 시스템을 갖춘 STA 429 출시

독일 슈투트가르트의 막스 플랑크 고체연구소는 이중 오리피스 커플링의 첫 번째 고객이었습니다.

원자력 연구와 관련하여 방사성 폐기물의 '안전한' 처리에 관한 또 다른 연구 분야도 주목받았습니다. 율리히 연구 센터(당시 율리히 원자력 연구 시설)는 유리화 폐기물의 가스 방출을 연구하기 위해 이중 오리피스 시스템이 장착된 STA 429를 구입했습니다. 라인하르트 오도이 박사(1973~2009년 쥘리히 연구소의 안전 연구 및 원자로 기술 책임자)와 그의 동료는 이 응용 분야에서 고온 MS 커플링을 최적화하는 데 크게 기여했습니다. 목표 중 하나는 세슘, 셀레늄, 텔루륨, 루테늄 산화물 및 은(방사성 폐기물과 유사한 휘발성을 가진 기준 물질)과 같은 금속 증기를 안정적으로 검출할 수 있는 가스 유입 시스템을 개발하는 것이었습니다. 고온 MS 결합은 연구 센터의 교수들과 협력하여 이 애플리케이션에 맞게 크게 최적화되었습니다. 이 연구는 시료, 가스 주입구, MS 이온 소스 사이의 거리를 크게 줄인 금속으로 만든 "skimmer 커플링"에 이르는 여러 개별 단계에 대한 설명이 포함된 논문으로 이어졌으며, 모두 그에 상응하는 짧은 용광로를 사용했습니다.

이 "연구소 솔루션"을 상업적으로 제조된 skimmer 커플링 시스템( NETZSCH )으로 이전하는 작업은 매우 정교했습니다. 퍼니스의 재설계와 다양한 작동 온도 및 범위에 맞는 최적의 Skimmer 재료 검색은 핵심 사항 중 일부에 불과합니다. 고온 내성 금속, 석영 유리, 알루미나 및 유리 탄소로 만든 스키머가 실현되었습니다. 이후 알루미나와 유리 카본은 다양한 온도 범위와 시료 대기에서 가장 다재다능하고 실용적인 것으로 입증되었습니다.

장비 개발은 NETZSCH 의 용광로 제품 범위가 -180°C의 저온 범위에서 2400°C까지 확장되고, 진공 발생에 신뢰할 수 있는 터보 분자 펌프가 사용되기 시작했으며, 소형 호이스팅 장치도 설계되었다는 사실에 힘입어 이루어졌습니다.

1985년: 세계 최초이자 유일한 고온 커플링과 Skimmer 가스 인입 시스템 도입

위에서 설명한 Skimmer 커플링에 대한 오리피스 커플링의 추가 개발과 병행하여, 환경, 연료 및 에너지 연구를 위한 새로운 우수 센터가 (종합) 파더보른 대학교 화학과에서 안토니우스 케트럽 박사가 이끄는 STA 429 MS 이중 오리피스 커플링을 사용하여 개발되었습니다. 안토니우스 케트룹 교수 및 그의 연구팀과의 매우 유익한 협력은 연구팀이 뮌헨 인근의 노이허베르크로 이전한 후 당시 GASS 환경 및 건강 연구 센터로 알려진 계기 개선(유입 시스템에서 자동 압력 제어) 및 계기 재설계로 이어졌습니다. 환경 연구(예: 폐기물 처리, 오염된 토양)를 위해 질량 분석기, FT-IR 분석기, GC-MS 기기를 결합할 수 있는 large= 샘플 STA(샘플 부피 최대 170cm³)가 바이에른 연구 자금의 틀 내에서 NETZSCH 에 의해 구축되었습니다.

하지만 다음에는 어떻게 될까요? 어떤 새로운 발전이 뒤따를까요? 앞으로 몇 주 안에 자세히 알아보세요..