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

NETZSCH-Gerätebau GmbH constă în peste o jumătate de secol de experiență în dezvoltarea tehnologiei de cuplare. În luna martie, aflați într-un rezumat istoric cum a început totul, ce sisteme erau folosite atunci și care sunt folosite astăzi și citiți contribuții interesante de la clienții și partenerii noștri de lungă durată.

În 1973, fizicianul Erwin Kaisersberger s-a alăturat NETZSCH și a fost inițial responsabil de aplicații și vânzări în Germania și în străinătate. Au urmat alte etape ale carierei ca șef al laboratorului de aplicații, șef al vânzărilor tehnice și "cercetător principal" în cadrul echipei mondiale de asistență pentru servicii și aplicații. Începând din 2007, a lucrat pentru companie în calitate de consultant independent înainte de a se pensiona în 2012 - după 39 de ani de muncă. În acești ultimi cinci ani, și-a dedicat toată energia în special domeniului cuplării TGA-GC-MS.

Erwin Kaisersberger a compilat pentru noi istoria cuplării sistemelor de analiză a gazelor la instrumentele NETZSCH:

Punct de plecare în 1970

După cum puteți vedea din relatarea istoriei STA în articolul aniversar din februarie 2022, primul STA NETZSCH cu numărul de model 429 a fost prezentat în 1970. Acest lucru a avut loc cu ocazia Târgului Internațional de Inginerie din Brno (toamna anului 1970), care la acea vreme și încă mulți ani mai târziu a fost o piață importantă pentru afaceri cu țările din Europa de Est, printre altele.

Până în 1970, NETZSCH favoriza filozofia conform căreia era mai bine să se lucreze separat cu DTA și TGA, deoarece pentru DTA, ratele de încălzire mai rapide erau eficiente în obținerea unor vârfuri mai mari; pentru TGA, pe de altă parte, erau preferate ratele de încălzire mai lente pentru a determina schimbările de masă într-o stare cât mai apropiată de echilibru. Cu toate acestea, aplicarea simultană a DTA și TGA la o singură probă în condiții identice s-a impus rapid.

Odată cu introducerea STA 429, care a fost proiectat de la început să fie etanș la vid și gaze, am intrat într-un nou segment de piață și am intrat imediat în concurență cu alți producători din Europa de Vest; același lucru s-a întâmplat și în Europa de Est cu derivatograful (Paulik și Erdey). În special în domeniul temperaturilor ridicate, NETZSCH a putut să își aducă experiența îndelungată în domeniul anorganic, al mineralelor și al ceramicii.

Chiar înainte de 1973, NETZSCH avea un program de producție extins, după cum se menționează în broșura dilatometrului din 1973 (articol aniversar din ianuarie 2022). Acesta includea, de asemenea, instrumente de detectare a gazelor cu funcționare continuă pentru cuplarea cu modelele etanșe la gaze pentru DTA, TGA, STA și dilatometre. Desigur, aceste detectoare de gaze, care înregistrau modificările conductivității termice (EGA), ale densității gazelor (EGD) sau ale radioactivității (ETA) unei probe de gaz în timpul unui experiment, nu erau tocmai satisfăcătoare, în ciuda simplității lor și a faptului că unele dintre ele aveau o sensibilitate de detecție ridicată: Acestea arătau doar că gazele au evoluat sau au fost absorbite, dar nu și care!

Cu toate acestea, identificarea gazelor era un subiect la fel de actual la acea vreme ca și în prezent. Dar ce sisteme de analiză a gazelor erau disponibile inițial? Lucrările de dezvoltare s-au axat rapid pe spectrometrul de masă cu patru poli, datorită compactității și sensibilității ridicate de detecție (1960: Invenția filtrului de masă cvadripolar de către fizicianul german, ulterior laureat al Premiului Nobel, Wolfgang Paul, și colegul său, Helmut Steinwedel, la Universitatea din Bonn).

Începând din 1970, dezvoltarea instrumentelor la NETZSCH a fost orientată, de asemenea, către dimensiuni mai compacte, cu cuptoare mai mici și, prin urmare, mai rapide, camere de probe reduse pentru o mai bună purjare a gazelor și etanșeitate la vid pentru a obține atmosfere de gaze curate la probe. Aceasta era o cerință de bază pentru cuplarea sensibilă a sistemelor sensibile de analiză a gazelor. De asemenea, începând din 1970, sistemele electronice dezvoltate de Karl Bayreuther și echipa sa în cadrul NETZSCH au fost utilizate în sistemele de control ale instrumentelor. Acest lucru a făcut instrumentele mai flexibile și mai precise, în special în ceea ce privește controlul temperaturii și achiziția datelor de măsurare.

1973: Cuplarea spectrometrelor de masă (MS)

Grupul NETZSCH, alcătuit din întreprinderile individuale germane Gebrüder NETZSCH-Anlagenbau, NETZSCH-Mohnopumpen, NETZSCH-Feinmahltechnik, NETZSCH-Newamatik, NETZSCH-Gerätebau și NETZSCH-Vertriebsgesellschaft, era în culmea fericirii și și-a sărbătorit cea de-a ^100-a aniversare la 1 iulie 1973, împreună cu filialele sale din străinătate, la ceea ce se spunea a fi o "petrecere a întreprinderii extrem de opulentă" în Selb. (Am început să lucrez pentru NETZSCH-Gerätebau la 100 de ani și o zi după înființarea NETZSCH; adică exact a doua zi după sărbătorirea celor 100 de ani. Până în prezent, nu pot răspunde la întrebarea de ce nu am fost acolo...)

Deja la începutul anilor '70, Balzers din Liechtenstein se bucura de o bună reputație pentru spectrometrele de masă cu patru poli (QMS) destinate controlului proceselor. NETZSCH-Interesul Gerätebau de a colabora cu Balzers pentru a dezvolta un cuplaj MS pentru STA 429 a fost foarte mare, iar Balzers, la rândul său, a fost impresionat de deschiderea de la NETZSCH pentru optimizarea sistemelor integrabile de admisie a gazelor. Astfel, în departamentul tehnic al lui Gerhard Bräuer și al echipei sale, a fost construit un sistem de admisie a gazului format dintr-un capilar de platină și o placă cu orificii de platină în aval.

S-a obținut astfel un cuplaj pentru spectrometrul de masă care funcționează încă la temperaturi cu mult peste 1000°C și o componentă modulară de înaltă precizie mecanică pentru instalarea în cuptorul de 1600°C al STA 429.

1974: Introducerea primului și unicului cuplaj NETZSCH- Spectrometru de masă Balzers

Evacuarea pentru noua interfață de cuplare este o pompă de vid rotativă cu două trepte în prima etapă (capilar Pt). Nivelul ridicat de vid necesar pentru evacuarea orificiului de Pt, a sursei de ioni și a filtrului de masă cvadripolar este asigurat de o pompă de difuzie cu lubrifiant de polifenil eter cu fragmentare redusă (în raport cu spectrul de fond MS) ca agent de pompare medium.

Cuptorul, sistemul de cuplare și pompa de vid înalt sunt montate pe un "lift" vertical pentru a permite accesul liber la suportul de probă pentru schimbarea probei în STA. Există chiar loc pentru cuptoare suplimentare pentru teste STA "normale".

Echipamentul a fost utilizat la Universitatea din Constanța pentru investigarea silicaților și a fost întreținut în mod constant, atent și fiabil de către departamentul de service NETZSCH pe parcursul mai multor decenii.

anul 1974 marchează, de asemenea, înființarea unei asociații non-profit pentru analiza termică în spațiul vorbitor de limbă germană, GEFTA. Printre altele, două nume au jucat un rol decisiv în înființarea noii asociații: Prof.-Dr. ing. Hans Lehmann din Clausthal-Zellerfeld și Dr. Wolf-Dieter Emmerich de la NETZSCH în Selb, care au convins mai mulți angajați ai NETZSCH să devină, de asemenea, membri fondatori ai GEFTA; acest lucru a permis asociației să înceapă cu aproximativ 20 de membri.

Universitatea din Constanța a fost aleasă ca loc de desfășurare a celei^{de-a treia} reuniuni anuale GEFTA încă din 1976, un omagiu adus activităților din domeniul analizei termice de la fața locului. GEFTA reușise deja să își mărească numărul de membri la peste 50 de persoane și devenise o asociație integratoare de analiști termici și cercetători activi, în paralel cu organizațiile naționale din țările vecine.

1975: Începutul unei tradiții de seminarii pe tema cuplării sistemelor de analiză a gazelor

La sfârșitul anului 1975, acest cuplaj pentru spectrometru de masă cu capilar și orificiu din platină a fost prezentat unui grup internațional mai mare de părți interesate, cu ocazia unui seminar inițial intitulat "NETZSCH-Balzers-MTA High-Temperature Coupling Systems" (MTA înseamnă analiză termică spectrometrică de masă, o abreviere care nu mai este utilizată astăzi). Pe lângă aceasta, NETZSCH a realizat, de asemenea, un cuplaj semnificativ mai simplu pentru spectrometrul de masă cu capilar din oțel și orificiu din platină, așa cum a fost oferit ulterior de Balzers ca modul separat de admisie a gazelor sau într-o soluție compactă cu Thermostar. În acest caz, eșantionarea gazului a fost efectuată la ieșirea gazului din cuptorul respectiv, permițând cuplarea la toate instrumentele etanșe la gaz, cum ar fi DTA, TGA, STA și dilatometre. Un punct de vânzare unic față de ofertele concurenților a fost încălzirea completă și reglabilă la 200°C a ieșirii gazului la cuptor.

Așadar, care au fost următorii pași cu sistemul de cuplare la temperaturi ridicate?

Soluția tehnică găsită, execuția practică și sensibilitatea de detecție a spectrometrului de masă în domeniul ppm în combinație cu analiza termică păreau mai mult decât adecvate pentru toate preocupările și aplicațiile. Defectele minore în proiectarea și evaluarea experimentală au fost înregistrarea lentă cu imprimantele cu puncte cu canale multiple, viteza relativ redusă de scanare a spectrometrului de masă și vârfurile uneori prea numeroase în spectrul de fond. Da, uneori au existat, de asemenea, atomi, molecule și compuși care pur și simplu nu și-au găsit drumul prin capilar și orificiu, care au fost distruși termic pe drum sau care nu au putut fi referiți în mod fiabil la vârfurile SM înregistrate. Uneori, a trebuit să se deruleze pânze de hârtie de înregistrare lungi de metri pentru a găsi "singura" deviație relevantă a semnalului SM.

Discuțiile cu potențialii interesați de cuplajul integrat MS-STA au condus la noi materiale în proiectarea sistemului de admisie a gazului în cuptorul STA. Pentru aceste aplicații, platina a fost exclusă din cauza efectului său catalitic asupra probelor și a produselor de Reacția de descompunereO reacție de descompunere este o reacție indusă termic a unui compus chimic care formează produse solide și/sau gazoase. descompunere care trebuie detectate. Au fost selectate tuburi de corindon sinterizat de înaltă puritate, care ar fi trebuit să aibă o rezistență bună pentru intervalul de temperatură de funcționare. Provocările viitoare, cum ar fi găurirea cu laser a small deschideri (orificii) în partea inferioară a tuburilor și lipirea acestora pe flanșe metalice, au fost rezolvate în cooperare cu producătorii de ceramică și cu institute specializate. A fost creat un sistem cu două orificii.

1978: Livrări de STA 429 cu sistem cu dublu orificiu

Institutul Max Planck pentru cercetarea stării solide, Stuttgart, Germania, a fost primul client al cuplajului nostru cu două orificii.

Un alt domeniu de cercetare care a intrat în centrul atenției se referea la eliminarea "sigură" a deșeurilor radioactive în contextul cercetării nucleare. Centrul de Cercetare Jülich (la acea vreme încă Jülich Nuclear Research Facility) a achiziționat un STA 429 cu sistem cu orificiu dublu pentru a cerceta eliberarea de gaze din materialele reziduale vitrificate. Prof. Dr. Reinhard Odoj (1973 - 2009 director pentru cercetarea siguranței și tehnologia reactoarelor la Jülich Research Center) și colegul său au adus o contribuție semnificativă la optimizarea cuplajului MS la temperaturi ridicate pentru acest domeniu de aplicare. Unul dintre obiective a fost un sistem de admisie a gazelor care să permită detectarea fiabilă a vaporilor metalici precum cesiul, seleniul, telurul, oxizii de ruteniu și argintul (ca substanțe de referință cu volatilitate similară deșeurilor radioactive). Cuplarea MS la temperatură ridicată a fost optimizată semnificativ pentru această aplicație în cooperare cu profesori din centrul de cercetare. Studiile au condus la o disertație cu o descriere a numeroaselor etape individuale până la un "cuplajskimmer ", realizat din metal cu distanțe mult reduse între probă, intrarea gazului și sursa de ioni MS, toate cu un cuptor corespunzător de scurt.

Transferul acestei "soluții de institut" la un sistem de cuplare skimmer fabricat comercial la NETZSCH a fost foarte sofisticat. Reproiectarea cuptorului și căutarea materialelor Skimmer optime pentru diferite temperaturi și intervale de funcționare sunt doar câteva dintre punctele-cheie. Au fost realizate skimmere din metal rezistent la temperaturi înalte, sticlă de cuarț, alumină și carbon sticlos. Alumina și carbonul sticlos s-au dovedit ulterior a fi cele mai versatile și practice pentru diferite intervale de temperatură și atmosfere de probă.

Dezvoltarea instrumentelor a beneficiat de faptul că gama de produse pentru cuptoare de la NETZSCH s-a extins de la -180°C la 2400°C, pompe turbomoleculare fiabile au început să fie utilizate pentru generarea vidului și, de asemenea, au fost concepute dispozitive de ridicare compacte.

1985: Introducerea primului și unicului cuplaj de înaltă temperatură din lume cu sistem de admisie a gazului Skimmer

În paralel cu dezvoltarea ulterioară a cuplajului cu orificii la cuplajul Skimmer descris mai sus, un nou centru de excelență pentru cercetarea mediului, combustibililor și energiei a fost dezvoltat la Universitatea (cuprinzătoare) din Paderborn, Departamentul de Chimie condus de Prof. Dr. Antonius Kettrup cu un cuplaj cu orificii duble STA 429 MS. Cooperarea foarte fructuoasă cu Prof. Dr. Antonius Kettrup și echipa sa a dus, de asemenea, la îmbunătățiri instrumentale (controlul automat al presiunii la sistemul de admisie) și la reproiectarea instrumentelor după mutarea echipei de cercetare la Neuherberg, lângă München, la ceea ce era cunoscut atunci sub numele de Centrul de cercetare GASS pentru mediu și sănătate. Pentru cercetarea mediului (de exemplu, eliminarea deșeurilor, soluri contaminate), un large=sample STA (volum de probă de până la 170 cm³) cu posibilități de cuplare a spectrometrelor de masă, spectrometrelor FT-IR și instrumentelor GC-MS a fost construit de NETZSCH în cadrul finanțării cercetării bavareze.

Dar ce se va întâmpla în continuare? Ce noi evoluții vor urma? Citiți mai multe în săptămânile următoare..