Mágikus ritkaföldfém elem: Ytterbium

Itterbium: atomszáma 70, atomtömege 173,04, az elem neve a felfedezés helyéről származik. A tartalmaitterbiuma kéregben 0,000266%, főleg a foszfor és fekete ritka arany lelőhelyekben, míg a monacitban 0,03%, 7 természetes izotóppal.

A történelem felfedezése

Felfedezte: Marinak

Idő: 1878

Helyszín: Svájc 

1878-ban Jean Charles és G Marignac svájci vegyészek új ritkaföldfém elemet fedeztek fel az „erbiumban”. 1907-ben Ulban és Weils rámutatott, hogy Marignac lutécium-oxid és itterbium-oxid keverékét választotta el egymástól. A Stockholm melletti Yteerby nevű kis falu emlékére, ahol ittriumércet fedeztek fel, ezt az új elemet Ytterbiumnak nevezték el Yb szimbólummal.

Elektron konfiguráció

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

Fém

Fém ytterbiumezüstszürke, képlékeny és puha textúrájú. Szobahőmérsékleten az itterbium levegővel és vízzel lassan oxidálható.

Két kristályszerkezet létezik: α- A típus egy felületközpontú köbös kristályrendszer (szobahőmérséklet -798 ℃); β- A típus egy testközpontú köbös (798 ℃ feletti) rács. Olvadáspont 824 ℃, forráspont 1427 ℃, relatív sűrűség 6,977 (α-típus), 6,54 (β-típus).

Hideg vízben nem oldódik, savakban és folyékony ammóniában oldódik. Meglehetősen stabil a levegőben. A szamáriumhoz és az európiumhoz hasonlóan az itterbium is a ritkaföldfém változó vegyértékű, és amellett, hogy általában háromértékű, pozitív kétértékű állapotban is lehet.

E változó vegyértékjellemző miatt a fémes itterbium előállítását nem elektrolízissel, hanem redukciós desztillációs módszerrel kell elkészíteni és tisztítani. Általában,lantán fémredukálószerként használják redukciós desztillációhoz, felhasználva az itterbium fém magas gőznyomása és a fém lantán alacsony gőznyomása közötti különbséget. Alternatív megoldáskénttúlium, itterbium, éslutéciumnyersanyagként koncentrátumok, redukálószerként fém-lantán használható. Magas hőmérsékletű, >1100 ℃ és <0,133 Pa vákuumkörülmények között a fémytterbium redukciós desztillációval közvetlenül extrahálható. Mintszamáriuméseurópium,az itterbium nedves redukcióval is elválasztható és tisztítható. Nyersanyagként általában tuliium-, itterbium- és lutécium-koncentrátumokat használnak. Oldódás után az itterbium kétértékű állapotba redukálódik, ami jelentős tulajdonságbeli különbségeket okoz, majd elválik a többi háromértékű ritkaföldfémtől. A nagy tisztaságú itterbium-oxid előállítását általában extrakciós kromatográfiával vagy ioncserélő módszerrel végzik.

Alkalmazás

Speciális ötvözetek gyártásához használják.Ytterbium ötvözetekalkalmazták a fogorvoslásban kohászati ​​és kémiai kísérletekben.

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

Az „információs autópálya” megépítésével 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 itterbium ionok kiváló spektrális tulajdonságaiknak köszönhetően optikai kommunikációhoz szálerősítő anyagokként is használhatókerbiuméstúlium. Bár az erbium ritkaföldfém elem továbbra is a főszereplő a szálerősítők gyártásában, a hagyományos erbiummal adalékolt kvarcszálak kis sávszélességgel rendelkeznek (30 nm), ami megnehezíti a nagy sebességű és nagy kapacitású információátvitel követelményeinek teljesítését. Az Yb3+ionok abszorpciós keresztmetszete jóval nagyobb, mint az Er3+ionok 980nm körüli. Az Yb3+ érzékenyítő hatása, valamint az erbium és itterbium energiaátvitele révén az 1530 nm-es fény nagymértékben javítható, ezáltal nagymértékben javítható a fény erősítési hatékonysága.

Az utóbbi években az erbium-ytterbiummal adalékolt foszfátüveget a kutatók egyre inkább kedvelték. A foszfát és fluorofoszfát üvegek jó kémiai és termikus stabilitással, valamint széles infravörös áteresztőképességgel és nagy, nem egyenletes kiszélesedési jellemzőkkel rendelkeznek, így ideális anyagok szélessávú és nagy nyereségű, erbiummal adalékolt erősítő üvegszálas üvegekhez. Az Yb3+ adalékolt szálerősítők teljesítményerősítést és kis jelerősítést tudnak elérni, így alkalmasak olyan területekre, mint a száloptikai érzékelők, a szabad hely lézeres kommunikációja és az ultrarövid impulzuserősítés. Kína jelenleg a világ legnagyobb egycsatornás kapacitását és leggyorsabb optikai átviteli rendszerét építette ki, és rendelkezik a világ legszélesebb információs autópályájával. Az itterbiummal adalékolt és más ritkaföldfémekkel adalékolt szálerősítők és lézeranyagok döntő és jelentős szerepet játszanak bennük.

Az itterbium spektrális jellemzőit kiváló minőségű lézeranyagként is használják, lézerkristályként, lézerüvegként és szálas lézerként egyaránt. Nagy teljesítményű lézeranyagként az itterbiummal adalékolt lézerkristályok hatalmas sorozatot alkottak, beleértve az itterbiummal adalékolt lézerkristályokat is.ittrium-alumíniumgránát (Yb: YAG), itterbiummal adalékoltgadolíniumgallium-gránát (Yb: GGG), itterbiummal adalékolt kalcium-fluorofoszfát (Yb: FAP), itterbiummal adalékolt stroncium-fluorofoszfát (Yb: S-FAP), ittrium-vanadát (Yb: YV04), ittrium-adalékolt itrium-vanadát (Yb: YV04), ittrium-adalékolt borát és szilícium-dioxid. A félvezető lézer (LD) egy új típusú szivattyúforrás a szilárdtestlézerekhez. Yb: A YAG számos tulajdonsággal rendelkezik, amelyek alkalmasak nagy teljesítményű LD-szivattyúzásra, és a nagy teljesítményű LD-szivattyúzás lézeranyagává vált. Yb: Az S-FAP kristályt a jövőben lézeres magfúzió lézeranyagaként használhatják, ami felkeltette az emberek figyelmét. A hangolható lézerkristályokban van króm-ytterbium-holmium-itrium-alumínium-gallium-gránát (Cr, Yb, Ho: YAGG), amelynek hullámhossza 2,84-3,05 μ között van, folyamatosan állítható m között. A statisztikák szerint világszerte a rakétákban használt infravörös robbanófejek többsége 3-5 μ-t használ, ezért a Cr, Yb, Ho: YSGG lézerek fejlesztése hatékony interferenciát biztosíthat a középső infravörös irányított fegyverek ellenintézkedéseihez, és fontos katonai jelentőséggel bír. Kína egy sor innovatív eredményt ért el nemzetközi haladó szinten az itterbiummal adalékolt lézerkristályok (Yb: YAG, Yb: FAP, Yb: SFAP stb.) területén, olyan kulcsfontosságú technológiák megoldásában, mint a kristálynövekedés és a lézer gyors, impulzus, folyamatos és állítható kimenet. A kutatási eredményeket a honvédelemben, az iparban és a tudományos mérnökökben alkalmazták, és az itterbiummal adalékolt kristálytermékeket számos országba és régióba exportálták, például az Egyesült Államokba és Japánba.

Az itterbium lézeres anyagok másik fő kategóriája a lézerüveg. Különféle nagy kibocsátású keresztmetszetű lézerüvegeket fejlesztettek ki, köztük germánium-telluritot, szilícium-niobátot, borátot és foszfátot. Az üvegöntvény egyszerűsége miatt nagy méretre készíthető, és olyan jellemzőkkel rendelkezik, mint a nagy fényáteresztő képesség és a nagy egyenletesség, ami lehetővé teszi nagy teljesítményű lézerek gyártását. Az ismert ritkaföldfém lézerüveg régebben főlegneodímiumüveg, amely több mint 40 éves fejlesztési múlttal és kiforrott gyártási és alkalmazási technológiával rendelkezik. Mindig is ez volt a nagy teljesítményű lézereszközök kedvelt anyaga, és magfúziós kísérleti eszközökben és lézerfegyverekben használták. A Kínában épített nagy teljesítményű lézeres eszközök, amelyek lézerből állnakneodímiumAz üveg, mint a fő lézerhordozó, elérte a világ haladó szintjét. A lézeres neodímium üveg azonban most komoly kihívással néz szembe a lézeres itterbiumüveggel szemben.

Az elmúlt években számos tanulmány kimutatta, hogy a lézeres itterbiumüveg tulajdonságai felülmúlják az üvegétneodímiumüveg. Tekintettel arra, hogy az itterbiummal adalékolt lumineszcenciának csak két energiaszintje van, az energiatárolás hatékonysága magas. Ugyanezen a hatás mellett az itterbium üveg energiatárolási hatékonysága 16-szor nagyobb, mint a neodímium üvegé, és fluoreszcens élettartama háromszorosa a neodímium üvegének. Előnyei is vannak, mint például a magas adalékkoncentráció, az abszorpciós sávszélesség, és közvetlenül félvezetőkkel is pumpálható, így kiválóan alkalmas nagy teljesítményű lézerekhez. Az itterbium lézerüveg gyakorlati alkalmazása azonban gyakran a neodímium segítségére támaszkodik, például az Nd3+ használata érzékenyítőként, hogy az itterbium lézerüveg szobahőmérsékleten működjön, és μ lézeremisszió érhető el m hullámhosszon. Tehát az itterbium és a neodímium versenytársak és együttműködő partnerek a lézerüveg területén.

Az üveg összetételének beállításával az itterbium lézerüveg számos lumineszcens tulajdonsága javítható. A nagyteljesítményű lézerek fejlesztésével, mint fő irányvonallal, az itterbium lézerüvegből készült lézereket egyre szélesebb körben alkalmazzák 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 az irányított magfúzió megvalósítása fontos eszköz lesz az emberiség számára az energiaproblémák megoldásában. Az itterbiummal adalékolt lézerüveg a 21. században a tehetetlenségi fúziós (ICF) fejlesztések előnyben részesített anyagává válik, kiváló lézerteljesítménye miatt.

A lézerfegyverek a lézersugár hatalmas energiáját használják fel a célpontok lecsapására és elpusztítására, így több milliárd Celsius fokos hőmérsékletet generálnak, és közvetlenül fénysebességgel támadnak. Nadana néven nevezhetők, és nagy letalitásuk van, 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 a lézerüveg alkalmazások területéhez is tartozik. A szálas lézer olyan lézer, amely szálat használ lézerközegként, amely a szálas és lézeres technológia kombinációjának terméke. Ez egy új lézertechnológia, amelyet az erbium doped fiber amplifier (EDFA) technológia alapján fejlesztettek ki. A szálas lézer egy félvezető lézerdiódából, mint szivattyúforrásból, egy száloptikai hullámvezetőből és egy erősítő közegből, valamint optikai alkatrészekből, például rácsszálakból és csatolókból áll. Nem igényli az optikai út mechanikus beállítását, a mechanizmus kompakt és könnyen integrálható. A hagyományos szilárdtestlézerekkel és félvezető lézerekkel összehasonlítva olyan technológiai és teljesítménybeli előnyökkel rendelkezik, mint a kiváló sugárminőség, jó stabilitás, erős ellenállás a környezeti zavarokkal szemben, nincs beállítás, nincs karbantartás és kompakt szerkezet. Mivel az adalékolt ionok elsősorban Nd+3, Yb+3, Er+3, Tm+3, Ho+3, amelyek mindegyike ritkaföldfém szálakat használ erősítő közegként, a cég által kifejlesztett szálas lézer is ritkaföldfém-szálas lézernek nevezik.

Lézeres alkalmazás: A nagy teljesítményű, ytterbiummal adalékolt, kettős bevonatú szálas lézer az elmúlt években nemzetközileg a szilárdtestlézeres technológia forró területévé vált. Előnyei a jó gerendaminőség, a kompakt szerkezet és a magas konverziós hatékonyság, valamint széles körű alkalmazási lehetőségei vannak az ipari feldolgozásban és más területeken. A kettős bevonatú itterbiummal adalékolt szálak alkalmasak félvezető lézeres szivattyúzásra, nagy csatolási hatékonysággal és nagy lézerkimeneti teljesítménnyel, és az itterbiummal adalékolt szálak fő fejlesztési irányát jelentik. Kína dupla bevonatú, itterbiummal adalékolt szálas technológiája már nem éri el a külföldi országok fejlett szintjét. A Kínában kifejlesztett ytterbiummal adalékolt szál, kettős bevonatú itterbiummal adalékolt szál és erbium ytterbiummal adalékolt szál teljesítmény és megbízhatóság tekintetében elérte a hasonló külföldi termékek fejlett szintjét, költségelőnyök, és számos termékhez és módszerhez szabadalmaztatott alaptechnológiákkal rendelkeznek. .

A világhírű német IPG lézergyártó cég a közelmúltban jelentette be, hogy újonnan piacra dobott, ytterbiummal adalékolt szálas lézerrendszerük kiváló sugárzási jellemzőkkel, több mint 50 000 órás szivattyúélettartammal, 1070-1080 nm-es központi emissziós hullámhosszal és akár 20 kW-os kimeneti teljesítménnyel rendelkezik. Finomhegesztésnél, vágásnál és kőzetfúrásnál alkalmazták.

A lézeres anyagok jelentik a lézertechnológia fejlődésének magját és alapját. A lézeriparban mindig is volt az a mondás, hogy „egy generáció az anyagok, egy generáció az eszközök”. A fejlett és praktikus lézeres eszközök fejlesztéséhez először nagy teljesítményű lézeres anyagokkal kell rendelkezni, és más releváns technológiákat integrálni. Az itterbiummal adalékolt lézerkristályok és a lézerüveg, mint a szilárd lézeranyagok új ereje, elősegítik a száloptikai kommunikáció és a lézertechnológia innovatív fejlesztését, különösen az olyan élvonalbeli lézertechnológiákban, mint a nagy teljesítményű magfúziós lézerek, nagy energiájú beat cseréplézerek és nagy energiájú fegyverlézerek.

Ezenkívül az itterbiumot fluoreszkáló poraktivátorként, rádiókerámiákként, elektronikus számítógép-memória-alkatrészek adalékaként (mágneses buborékok) és optikai üvegadalékként is használják. Hangsúlyozni kell, hogy az ittrium és az ittrium egyaránt ritkaföldfém elem. Bár jelentős különbségek vannak az angol nevek és elemszimbólumok között, a kínai fonetikus ábécé ugyanazokat a szótagokat tartalmazza. Egyes kínai fordításokban az ittriumot néha tévesen ittriumnak nevezik. Ebben az esetben nyomon kell követnünk az eredeti szöveget, és a megerősítéshez kombinálnunk kell az elemszimbólumokat.