Varázslatos ritkaföldfém: itterbium

ItterbiumRendszáma 70, rendszáma 173,04, az elem neve a felfedezési helyéről származik. Az itterbium tartalma a kéregben 0,000266%, főként foszforitban és fekete nemesarany lelőhelyeken található meg. A monacitban az itterbium tartalma 0,03%, és 7 természetes izotópja létezik.

Felfedezve

Által: Marinak

Idő: 1878

Helyszín: Svájc

1878-ban Jean Charles és G. Marignac svájci vegyészek felfedezték az „erbiumot” egy új ritkaföldfémben. 1907-ben Ulban és Weils rámutattak, hogy Marignac lutécium-oxid és itterbium-oxid keverékét tudta elválasztani. A Stockholm közelében található Yteerby nevű kis falu emlékére, ahol az ittriumércet felfedezték, ezt az új elemet itterbiumnak nevezték el, Yb szimbólummal.

Elektronkonfiguráció

Elektronkonfiguráció
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14

Fém

A fémes itterbium ezüstszürke, képlékeny és puha textúrájú. Szobahőmérsékleten az itterbium lassan oxidálható levegő és víz hatására.

Két kristályszerkezet létezik: az α- típus egy lapcentrált köbös kristályrendszer (szobahőmérséklet -798 ℃); a β- típus egy testcentrált köbös rácsrendszer (798 ℃ felett). Olvadáspont 824 ℃, forráspont 1427 ℃, relatív sűrűség 6,977 (α- típus), 6,54 (β- típus).

Hideg vízben nem oldódik, savakban és folyékony ammóniában oldódik. A levegőben meglehetősen stabil. A szamáriumhoz és az európiumhoz hasonlóan az itterbium a változó vegyértékű ritkaföldfémek közé tartozik, és amellett, hogy általában háromvegyértékű, pozitív kétértékű állapotban is lehet.

Ezen változó vegyértékjellemző miatt a fémes itterbium előállítását nem elektrolízissel, hanem redukciós desztillációs módszerrel kell elvégezni az előállítás és a tisztítás érdekében. Általában a lantán fémet használják redukálószerként a redukciós desztillációhoz, kihasználva az itterbium fém magas és a lantán fém alacsony gőznyomása közötti különbséget. Alternatív megoldásként,túlium, itterbium, éslutéciumkoncentrátumok felhasználhatók nyersanyagként, ésfém lantánRedukálószerként használható. Magas hőmérsékletű, >1100 ℃ és <0,133 Pa vákuumkörülmények között a fém itterbium közvetlenül kinyerhető redukciós desztillációval. A szamáriumhoz és az európiumhoz hasonlóan az itterbium is elválasztható és tisztítható nedves redukcióval. Általában túlium-, itterbium- és lutécium-koncentrátumokat használnak nyersanyagként. Feloldás után az itterbiumot kétértékű állapotba redukálják, ami jelentős tulajdonságkülönbségeket okoz, majd elválasztják a többi háromértékű ritkaföldfémtől. A nagy tisztaságú előállításaitterbium-oxidÁltalában extrakciós kromatográfiával vagy ioncserélő módszerrel végzik.

Alkalmazás

Speciális ötvözetek gyártásához használják. Az itterbiumötvözeteket a fogászatban kohászati ​​és kémiai kísérletekhez alkalmazzák.

Az utóbbi években az itterbium megjelent és gyorsan fejlődött a száloptikai kommunikáció és a lézertechnológia területén.

Az „információs autópálya” kiépítésével és fejlesztésével a számítógépes hálózatok és a nagy távolságú optikai szálas átviteli rendszerek egyre magasabb követelményeket támasztanak az optikai kommunikációban használt optikai szálas anyagok teljesítményével szemben. Az itterbiumionok kiváló spektrális tulajdonságaiknak köszönhetően az erbiumhoz és a túliumhoz hasonlóan optikai kommunikációs szálerősítő anyagként használhatók. Bár az erbium ritkaföldfém továbbra is a főszereplő a szálerősítők előállításában, a hagyományos erbiummal adalékolt kvarcszálak kis erősítési sávszélességgel rendelkeznek (30 nm), ami megnehezíti a nagy sebességű és nagy kapacitású információátvitel követelményeinek kielégítését. Az Yb3+ ionok sokkal nagyobb abszorpciós keresztmetszettel rendelkeznek, mint az Er3+ ionok, körülbelül 980 nm-en. Az Yb3+ szenzibilizáló hatása és az erbium és az itterbium energiaátadása révén az 1530 nm-es fény jelentősen felerősíthető, ezáltal jelentősen javítva a fény erősítési hatékonyságát.

Az utóbbi években a kutatók egyre inkább előnyben részesítik az erbium-itterbiummal adalékolt foszfátüveget. A foszfát- és fluorofoszfátüvegek jó kémiai és termikus stabilitással, valamint széles infravörös áteresztőképességgel és nagy, nem egyenletes kiszélesedési jellemzőkkel rendelkeznek, így ideális anyagok a szélessávú és nagy erősítésű, erbiummal adalékolt erősítésű üvegszálakhoz. Az Yb3+ adalékolt szálerősítők teljesítményerősítést és kis jelerősítést érhetnek el, így alkalmasak olyan területekre, mint a száloptikai érzékelők, a szabadtér lézerkommunikáció és az ultrarövid impulzuserősítés. Kína jelenleg a világ legnagyobb egycsatornás kapacitású és leggyorsabb optikai átviteli rendszerét építette ki, és a világ legszélesebb információs autópályájával rendelkezik. Az itterbiummal adalékolt és más ritkaföldfémekkel adalékolt szálerősítők és lézeranyagok kulcsfontosságú és jelentős szerepet játszanak ezekben.

Az itterbium spektrális jellemzői kiváló minőségű lézeranyagokként is használatosak, mind lézerkristályokként, lézerüvegekként, mind száloptikás lézeranyagokként. Nagy teljesítményű lézeranyagként az itterbiummal adalékolt lézerkristályok hatalmas sorozatot alkottak, beleértve az itterbiummal adalékolt ittrium-alumínium gránátot (Yb: YAG), az itterbiummal adalékolt gadolínium-gallium gránátot (Yb: GGG), az itterbiummal adalékolt kalcium-fluorofoszfátot (Yb: FAP), az itterbiummal adalékolt stroncium-fluorofoszfátot (Yb: S-FAP), az itterbiummal adalékolt ittrium-vanadátot (Yb: YV04), az itterbiummal adalékolt borátot és a szilikátot. A félvezető lézer (LD) egy új típusú pumpálóforrás a szilárdtest lézerekhez. Az Yb:YAG számos olyan tulajdonsággal rendelkezik, amelyek alkalmasak a nagy teljesítményű LD-pumpálásra, és lézeranyaggá vált a nagy teljesítményű LD-pumpáláshoz. Az Yb:S-FAP kristály a jövőben lézeranyagként használható lehet lézeres magfúzióhoz, ami felkeltette az emberek figyelmét. A hangolható lézerkristályokban króm-itterbium-holmium-itterium-alumínium-gallium gránát (Cr, Yb, Ho: YAGG) található, amelynek hullámhossza 2,84 és 3,05 μ között van, és folyamatosan állítható m között. A statisztikák szerint a világszerte rakétákban használt infravörös robbanófejek többsége 3-5 μ-t használ. Ezért a Cr, Yb, Ho: YSGG lézerek fejlesztése hatékony interferenciát biztosíthat a közép-infravörös irányított fegyverek ellenintézkedéseiben, és fontos katonai jelentőséggel bír. Kína számos innovatív eredményt ért el nemzetközi szinten haladó szinten az itterbiummal adalékolt lézerkristályok (Yb: YAG, Yb: FAP, Yb: SFAP stb.) területén, olyan kulcsfontosságú technológiákat oldva meg, mint a kristálynövekedés és a lézer gyors, impulzusos, folyamatos és állítható kimenete. A kutatási eredményeket a nemzetvédelemben, az iparban és a tudományos mérnöki tudományokban alkalmazták, és az itterbiummal adalékolt kristálytermékeket több országba és régióba exportálták, például az Egyesült Államokba és Japánba.

Az itterbium lézeranyagok egy másik fő kategóriája a lézerüveg. Különböző nagy emissziós keresztmetszetű lézerüvegeket fejlesztettek ki, beleértve a germánium-telluritot, a szilícium-niobátot, a borátot és a foszfátot. Az üveg könnyű formázhatóságának köszönhetően nagy méretekben is előállítható, és olyan tulajdonságokkal rendelkezik, mint a nagy fényáteresztő képesség és a nagyfokú egyenletesség, ami lehetővé teszi nagy teljesítményű lézerek előállítását. Az ismerős ritkaföldfém lézerüveg korábban főként neodímium üveg volt, amelynek fejlesztési története több mint 40 éves, és kiforrott gyártási és alkalmazási technológiával rendelkezik. Mindig is a nagy teljesítményű lézereszközök előnyben részesített anyaga volt, és használták már nukleáris fúziós kísérleti eszközökben és lézerfegyverekben is. A Kínában gyártott nagy teljesítményű lézereszközök, amelyek fő lézerközegként lézer-neodímium üveget használnak, elérték a világ legfejlettebb szintjét. A lézer-neodímium üveg azonban most komoly kihívással néz szembe a lézer-itterbium üveg részéről.

Az utóbbi években számos tanulmány kimutatta, hogy a lézeres itterbium üveg számos tulajdonsága meghaladja a neodímium üveg tulajdonságait. Mivel az itterbiummal adalékolt lumineszcencia csak két energiaszinttel rendelkezik, az energiatárolási hatékonyság magas. Ugyanazon nyereség mellett az itterbium üveg energiatárolási hatékonysága 16-szor nagyobb, mint a neodímium üvegé, a fluoreszcencia élettartama pedig háromszorosa a neodímium üvegének. Előnyei közé tartozik a magas adalékkoncentráció, az abszorpciós sávszélesség, és közvetlenül pumpálható félvezetőkkel, így nagyon alkalmas nagy teljesítményű lézerekhez. Az itterbium lézerüveg gyakorlati alkalmazása azonban gyakran a neodímium segítségére támaszkodik, például az Nd3+ szenzibilizátorként való használatára, hogy az itterbium lézerüveg szobahőmérsékleten működjön, és μ lézerkibocsátást ér el m hullámhosszon. Így az itterbium és a neodímium egyszerre versenytársak és együttműködő partnerek a lézerüvegek területén.

Az üvegösszetétel módosításával az itterbium lézerüveg számos lumineszcens tulajdonsága javítható. A nagy teljesítményű lézerek fejlesztésének fő irányává válásával az itterbium lézerüvegből készült lézereket egyre szélesebb körben használják a modern iparban, a mezőgazdaságban, az orvostudományban, a tudományos kutatásban és a katonai alkalmazásokban.

Katonai felhasználás: A magfúzió által termelt energia energiaként való felhasználása mindig is elvárt cél volt, és a szabályozott magfúzió elérése fontos eszköz lesz az emberiség számára az energiaproblémák megoldásában. Az itterbiummal adalékolt lézerüveg a 21. században a kiváló lézerteljesítményének köszönhetően egyre inkább az inerciális bezárásos fúzió (ICF) fejlesztésének előnyben részesített anyagává válik.

A lézerfegyverek a lézersugár hatalmas energiáját használják a célpontok eltalálására és megsemmisítésére, több milliárd Celsius-fokos hőmérsékletet generálva, és közvetlenül, fénysebességgel támadva. Ezeket Nadana-ként is emlegetik, és nagy halálozási képességgel rendelkeznek, különösen alkalmasak a modern légvédelmi fegyverrendszerekhez a hadviselésben. Az itterbiummal adalékolt lézerüveg kiváló teljesítménye fontos alapanyaggá tette a nagy teljesítményű és nagy teljesítményű lézerfegyverek gyártásához.

A szálas lézer egy gyorsan fejlődő új technológia, és szintén a lézerüveg alkalmazások területéhez tartozik. A szálas lézer egy olyan lézer, amely szálat használ lézerközegként, amely a szál és a lézertechnológia kombinációjának terméke. Ez egy új lézertechnológia, amelyet az erbiummal adalékolt szálerősítő (EDFA) technológián fejlesztettek ki. A szálas lézer egy félvezető lézerdiódából, mint pumpáló forrásból, egy száloptikai hullámvezetőből és egy erősítő közegből, valamint optikai alkatrészekből, például rácsos szálakból és csatolókból áll. Nem igényli az optikai út mechanikus beállítását, a mechanizmus kompakt és könnyen integrálható. A hagyományos szilárdtest lézerekkel és félvezető lézerekkel összehasonlítva olyan technológiai és teljesítménybeli előnyökkel rendelkezik, mint a kiváló nyalábminőség, a jó stabilitás, a környezeti interferenciákkal szembeni erős ellenállás, a beállítás és a karbantartás hiánya, valamint a kompakt felépítés. Mivel az adalékolt ionok főként Nd+3, Yb+3, Er+3, Tm+3, Ho+3, amelyek mindegyike ritkaföldfém szálakat használ erősítő közegként, a vállalat által kifejlesztett szálas lézert ritkaföldfém szálas lézernek is nevezhetjük.

Lézeralkalmazás: A nagy teljesítményű, itterbiummal adalékolt, dupla rétegű szálas lézer az utóbbi években nemzetközi szinten is felkapott területté vált a szilárdtest lézertechnológiában. Előnyei a jó nyalábminőség, a kompakt felépítés és a magas konverziós hatásfok, széleskörű alkalmazási lehetőségeket kínálva az ipari feldolgozásban és más területeken. A dupla rétegű itterbiummal adalékolt szálak alkalmasak félvezető lézeres pumpálásra, magas csatolási hatásfokkal és nagy lézerkimeneti teljesítménnyel rendelkeznek, és az itterbiummal adalékolt szálak fő fejlesztési irányát jelentik. Kína dupla rétegű itterbiummal adalékolt száltechnológiája már nem éri el a külföldi országok fejlett szintjét. A Kínában kifejlesztett itterbiummal adalékolt szál, a dupla rétegű itterbiummal adalékolt szál és az erbiummal és itterbiummal együtt adalékolt szál teljesítmény és megbízhatóság tekintetében elérték a hasonló külföldi termékek fejlett szintjét, költségelőnyökkel rendelkeznek, és számos termékhez és módszerhez szabadalmaztatott technológiákkal rendelkeznek.

A világhírű német IPG lézergyártó cég nemrégiben bejelentette, hogy újonnan piacra dobott itterbiummal adalékolt szálas lézerrendszerük kiváló nyalábjellemzőkkel, több mint 50 000 órás szivattyúélettartammal, 1070 nm-1080 nm központi emissziós hullámhosszal és akár 20 kW kimeneti teljesítménnyel rendelkezik. Alkalmazták finomhegesztéshez, vágáshoz és kőzetfúráshoz.

A lézeranyagok a lézertechnológia fejlesztésének alapját képezik. A lézeriparban mindig is volt egy mondás, hogy „egy generációnyi anyag, egy generációnyi eszköz”. A fejlett és praktikus lézereszközök fejlesztéséhez először nagy teljesítményű lézeranyagokra van szükség, és más releváns technológiákat kell integrálni. Az itterbiummal adalékolt lézerkristályok és lézerüveg, mint a szilárd lézeranyagok új hajtóereje, elősegítik a száloptikai kommunikáció és a lézertechnológia innovatív fejlődését, különösen a legmodernebb lézertechnológiákban, mint például a nagy teljesítményű magfúziós lézerek, a nagy energiájú ütőcsempéző lézerek és a nagy energiájú fegyverlézerek.

Ezenkívül az itterbiumot fluoreszkáló por aktivátorként, rádiókerámiákban, elektronikus számítógépek memória-alkatrészeinek (mágneses buborékok) adalékanyagaként és optikai üveg adalékanyagként is használják. Meg kell jegyezni, hogy az ittrium és az ittrium egyaránt ritkaföldfém. Bár az angol nevek és az elemek szimbólumai között jelentős különbségek vannak, a kínai fonetikus ábécé ugyanazokat a szótagokat használja. Egyes kínai fordításokban az ittriumot néha tévesen ittriumnak nevezik. Ebben az esetben az eredeti szöveget kell nyomon követnünk, és az elemek szimbólumait kombinálnunk a megerősítéshez.