Magický prvok vzácnych zemín: Ytterbium

Ytterbium: atómové číslo 70, atómová hmotnosť 173,04, názov prvku odvodený od miesta jeho objavenia. Obsah yterbia v kôre je 0,000266 %, nachádza sa najmä v ložiskách fosforitu a čierneho vzácneho zlata. Obsah v monazite je 0,03% a existuje 7 prírodných izotopov

Objavené

Autor: Marinak

Čas: 1878

Miesto: Švajčiarsko

V roku 1878 objavili švajčiarski chemici Jean Charles a G Marignac nový prvok vzácnych zemín v „erbiu“. V roku 1907 Ulban a Weils poukázali na to, že Marignac oddelil zmes oxidu lutécového a oxidu ytterbia. Na pamiatku malej dedinky Yteerby neďaleko Štokholmu, kde bola objavená ytriová ruda, bol tento nový prvok nazvaný Ytterbium so symbolom Yb.

Elektrónová konfigurácia

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

Kovové

Kovové ytterbium je strieborno šedé, tvárne a má mäkkú textúru. Pri izbovej teplote môže byť yterbium pomaly oxidované vzduchom a vodou.

Existujú dve kryštálové štruktúry: α- Typ je plošne centrovaný kubický kryštálový systém (izbová teplota -798 ℃); β- Typ je kubická (nad 798 ℃) mriežka so stredom tela. Teplota topenia 824 °C, teplota varu 1427 °C, relatívna hustota 6,977 (typ α), 6,54 (typ β-).

Nerozpustný v studenej vode, rozpustný v kyselinách a kvapalnom amoniaku. Na vzduchu je celkom stabilný. Podobne ako samárium a európium patrí ytterbium medzi vzácne zeminy s premenlivou valenciou a okrem toho, že je zvyčajne trojmocné, môže byť aj v kladnom dvojmocnom stave.

Vzhľadom na túto premenlivú valenčnú charakteristiku by sa príprava kovového yterbia nemala uskutočňovať elektrolýzou, ale metódou redukčnej destilácie na prípravu a čistenie. Kovový lantán sa zvyčajne používa ako redukčné činidlo na redukčnú destiláciu, pričom sa využíva rozdiel medzi vysokým tlakom pár kovového yterbia a nízkym tlakom pár kovového lantánu. prípadnethulium, ytterbium, alutéciumkoncentráty možno použiť ako suroviny akovový lantánmožno použiť ako redukčné činidlo. Pri vysokoteplotných podmienkach vákua > 1100 ℃ a < 0,133 Pa môže byť kovové yterbium priamo extrahované redukčnou destiláciou. Podobne ako samárium a európium, aj yterbium možno separovať a čistiť mokrou redukciou. Zvyčajne sa ako suroviny používajú koncentráty tulia, ytterbia a lutécia. Po rozpustení sa yterbium redukuje na dvojmocný stav, čo spôsobuje značné rozdiely vo vlastnostiach, a potom sa oddelí od ostatných trojmocných vzácnych zemín. Výroba vysokej čistotyoxid yterbiasa zvyčajne uskutočňuje extrakčnou chromatografiou alebo metódou iónovej výmeny.

Aplikácia

Používa sa na výrobu špeciálnych zliatin. Zliatiny ytterbia sa používajú v zubnom lekárstve na metalurgické a chemické experimenty.

V posledných rokoch sa ytterbium objavilo a rýchlo rozvíjalo v oblasti komunikácie z optických vlákien a laserovej technológie.

S výstavbou a rozvojom „informačnej diaľnice“ majú počítačové siete a diaľkové optické prenosové systémy stále vyššie požiadavky na výkon materiálov z optických vlákien používaných v optickej komunikácii. Ióny ytterbia môžu byť vďaka svojim vynikajúcim spektrálnym vlastnostiam použité ako vláknové zosilňovacie materiály pre optickú komunikáciu, rovnako ako erbium a thulium. Hoci erbium prvkov vzácnych zemín je stále hlavným hráčom pri príprave vláknových zosilňovačov, tradičné kremenné vlákna dopované erbiom majú malú šírku pásma zisku (30 nm), čo sťažuje splnenie požiadaviek na vysokorýchlostný a vysokokapacitný prenos informácií. Ióny Yb3+ majú oveľa väčší absorpčný prierez ako ióny Er3+ okolo 980 nm. Prostredníctvom senzibilizačného efektu Yb3+ a prenosu energie erbia a ytterbia sa môže 1530nm svetlo výrazne zvýšiť, čím sa výrazne zlepší účinnosť zosilnenia svetla.

V posledných rokoch výskumníci stále viac uprednostňujú erbiom ytterbiom dopované fosfátové sklo. Fosfátové a fluorofosfátové sklá majú dobrú chemickú a tepelnú stabilitu, ako aj širokú priepustnosť infračerveného žiarenia a veľké nerovnomerné rozširovacie charakteristiky, čo z nich robí ideálne materiály pre širokopásmové a erbiom dopované sklenené vlákna s vysokým ziskom. Vláknové zosilňovače dopované Yb3+ môžu dosiahnuť zosilnenie výkonu a malé zosilnenie signálu, vďaka čomu sú vhodné pre polia, ako sú senzory z optických vlákien, laserová komunikácia vo voľnom priestore a zosilnenie ultra krátkych impulzov. Čína v súčasnosti vybudovala najväčšiu jednokanálovú kapacitu a najrýchlejší optický prenosový systém na svete a má najširšiu informačnú diaľnicu na svete. Vláknové zosilňovače a laserové materiály dopované ytterbiom a inými vzácnymi zeminami v nich zohrávajú kľúčovú a významnú úlohu.

Spektrálne charakteristiky ytterbia sa používajú aj ako vysokokvalitné laserové materiály, ako laserové kryštály, laserové sklá a vláknové lasery. Ako vysokovýkonný laserový materiál vytvorili ytterbiom dopované laserové kryštály obrovskú sériu, vrátane ytterbiom dopovaného ytrium-hliníkového granátu (Yb: YAG), ytterbiom dopovaného gadolínium-gálium granátu (Yb: GGG), ytterbiom dopovaného fluorofosfátu vápenatého (Yb: FAP) , ytterbiom dopovaný fluorofosfát strontnatý (Yb: S-FAP), ytterbiom dopovaný vanadičnan yttritý (Yb: YV04), yterbiom dopovaný boritan a kremičitan. Polovodičový laser (LD) je nový typ čerpacieho zdroja pre pevnolátkové lasery. Yb: YAG má mnoho charakteristík vhodných pre vysokovýkonné LD čerpanie a stal sa laserovým materiálom pre vysokovýkonné LD čerpanie. Yb: Kryštál S-FAP môže byť v budúcnosti použitý ako laserový materiál pre laserovú jadrovú fúziu, čo pritiahlo pozornosť ľudí. V laditeľných laserových kryštáloch sa nachádza chróm yterbium holmium ytrium hliník gálium granát (Cr, Yb, Ho: YAGG) s vlnovými dĺžkami od 2,84 do 3,05 μ Plynule nastaviteľné medzi m. Podľa štatistík väčšina infračervených hlavíc používaných v raketách na celom svete používa 3-5 μ. Preto vývoj laserov Cr, Yb, Ho: YSGG môže poskytnúť účinnú interferenciu pri protiopatreniach zbraní so stredným infračerveným navádzaním a má dôležitý vojenský význam. Čína dosiahla sériu inovatívnych výsledkov s medzinárodnou pokročilou úrovňou v oblasti laserových kryštálov dopovaných yterbiom (Yb: YAG, Yb: FAP, Yb: SFAP atď.), ktoré riešia kľúčové technológie, ako je rast kryštálov a laserová rýchlosť, pulz, kontinuálny a nastaviteľný výstup. Výsledky výskumu boli aplikované v národnej obrane, priemysle a vedeckom inžinierstve a kryštálové produkty dopované ytterbiom sa vyvážali do viacerých krajín a regiónov, ako sú Spojené štáty a Japonsko.

Ďalšou hlavnou kategóriou yterbiových laserových materiálov je laserové sklo. Boli vyvinuté rôzne vysokoemisné laserové sklá s prierezom, vrátane teluritu germánia, niobátu kremíka, boritanu a fosfátu. Vďaka ľahkému tvarovaniu skla sa môže vyrábať vo veľkých veľkostiach a má vlastnosti, ako je vysoká priepustnosť svetla a vysoká rovnomernosť, čo umožňuje vyrábať vysokovýkonné lasery. Známym laserovým sklom zo vzácnych zemín bývalo hlavne neodýmové sklo, ktoré má za sebou viac ako 40-ročnú históriu vývoja a vyspelú technológiu výroby a aplikácie. Vždy bol preferovaným materiálom pre vysokovýkonné laserové zariadenia a používal sa v experimentálnych zariadeniach jadrovej fúzie a laserových zbraniach. Vysokovýkonné laserové zariadenia vyrobené v Číne, pozostávajúce z laserového neodýmového skla ako hlavného laserového média, dosiahli svetovú pokročilú úroveň. Laserové neodýmové sklo však teraz čelí silnej výzve laserového ytterbiového skla.

V posledných rokoch veľké množstvo štúdií ukázalo, že mnohé vlastnosti laserového ytterbiového skla prevyšujú vlastnosti neodýmového skla. Vzhľadom na skutočnosť, že yterbiom dopovaná luminiscencia má iba dve úrovne energie, je účinnosť skladovania energie vysoká. Pri rovnakom zisku má ytterbiové sklo účinnosť ukladania energie 16-krát vyššiu ako neodymové sklo a životnosť fluorescencie je 3-krát vyššia ako životnosť neodymového skla. Má tiež výhody, ako je vysoká koncentrácia dopingu, šírka pásma absorpcie a môže byť priamo čerpaný polovodičmi, vďaka čomu je veľmi vhodný pre vysokovýkonné lasery. Praktická aplikácia yterbiového laserového skla sa však často spolieha na pomoc neodýmu, ako je použitie Nd3+ ako senzibilizátora, aby sklo yterbiového lasera fungovalo pri izbovej teplote a μ Laserová emisia sa dosahuje pri vlnovej dĺžke m. Takže ytterbium a neodým sú konkurentmi a spolupracujúcimi partnermi v oblasti laserového skla.

Úpravou zloženia skla možno zlepšiť mnohé luminiscenčné vlastnosti skla yterbiového lasera. S rozvojom vysokovýkonných laserov ako hlavného smeru sa lasery vyrobené z ytterbiového laserového skla čoraz častejšie používajú v modernom priemysle, poľnohospodárstve, medicíne, vedeckom výskume a vojenských aplikáciách.

Vojenské využitie: Využívanie energie generovanej jadrovou fúziou ako energie bolo vždy očakávaným cieľom a dosiahnutie riadenej jadrovej fúzie bude pre ľudstvo dôležitým prostriedkom na riešenie energetických problémov. Laserové sklo dopované ytterbiom sa v 21. storočí stáva preferovaným materiálom na dosiahnutie modernizácie inerciálnej fúzie (ICF) vďaka svojmu vynikajúcemu výkonu lasera.

Laserové zbrane využívajú obrovskú energiu laserového lúča na zasiahnutie a zničenie cieľov, pričom vytvárajú teploty v miliardách stupňov Celzia a priamo útočia rýchlosťou svetla. Môžu byť označené ako Nadana a majú veľkú letalitu, obzvlášť vhodné pre moderné zbraňové systémy protivzdušnej obrany vo vojne. Vynikajúci výkon laserového skla dopovaného ytterbiom z neho urobil dôležitý základný materiál na výrobu vysokovýkonných a vysokovýkonných laserových zbraní.

Vláknový laser je rýchlo sa rozvíjajúca nová technológia a patrí aj do oblasti aplikácií laserových skiel. Vláknový laser je laser využívajúci ako laserové médium vlákno, ktoré je produktom kombinácie vlákna a laserovej technológie. Ide o novú laserovú technológiu vyvinutú na báze technológie zosilňovača vlákien dopovaného erbiom (EDFA). Vláknový laser sa skladá z polovodičovej laserovej diódy ako zdroja pumpy, vlnovodu z optických vlákien a zosilňovacieho média a optických komponentov, ako sú mriežkové vlákna a spojky. Nevyžaduje mechanické nastavenie optickej dráhy a mechanizmus je kompaktný a ľahko sa integruje. V porovnaní s tradičnými pevnolátkovými lasermi a polovodičovými lasermi má technologické a výkonové výhody, ako je vysoká kvalita lúča, dobrá stabilita, silná odolnosť voči rušeniu prostredia, žiadne nastavovanie, žiadna údržba a kompaktná štruktúra. Vzhľadom k tomu, že dopované ióny sú hlavne Nd+3, Yb+3, Er+3, Tm+3, Ho+3, pričom všetky využívajú vlákna vzácnych zemín ako ziskové médium, vláknový laser vyvinutý spoločnosťou môže tiež nazývaný vláknový laser vzácnych zemín.

Laserová aplikácia: Vysokovýkonný yterbiom dopovaný dvojitý vláknitý laser sa v posledných rokoch stal medzinárodne horúcim poľom v technológii laserov v pevnej fáze. Má výhody dobrej kvality lúča, kompaktnej štruktúry a vysokej účinnosti konverzie a má široké uplatnenie v priemyselnom spracovaní a iných oblastiach. Dvojité plátované vlákna dopované ytterbiom sú vhodné na čerpanie polovodičových laserov, s vysokou väzbovou účinnosťou a vysokým výstupným výkonom lasera a sú hlavným smerom vývoja vlákien dopovaných ytterbiom. Čínska technológia dvojito plátovaných vlákien dopovaných yterbiom už nie je na rovnakej úrovni ako pokročilá úroveň v zahraničí. Vlákno dopované ytterbiom, dvojito opláštené vlákno dopované ytterbiom a vlákno dopované erbiom ytterbiom vyvinuté v Číne dosiahli pokročilú úroveň podobných zahraničných produktov z hľadiska výkonu a spoľahlivosti, majú cenové výhody a majú základné patentované technológie pre viacero produktov a metód. .

Svetoznáma nemecká laserová spoločnosť IPG nedávno oznámila, že ich novo uvedený laserový systém s vláknami dopovanými ytterbiom má vynikajúce vlastnosti lúča, životnosť čerpadla viac ako 50 000 hodín, vlnovú dĺžku centrálnej emisie 1070 nm až 1080 nm a výstupný výkon až 20 kW. Používa sa pri jemnom zváraní, rezaní a vŕtaní hornín.

Laserové materiály sú jadrom a základom pre vývoj laserovej technológie. V laserovom priemysle vždy platilo príslovie, že „jedna generácia materiálov, jedna generácia zariadení“. Na vývoj pokročilých a praktických laserových zariadení je potrebné najprv vlastniť vysokovýkonné laserové materiály a integrovať ďalšie relevantné technológie. Laserové kryštály dopované ytterbiom a laserové sklo, ako nová sila pevných laserových materiálov, podporujú inovatívny vývoj komunikácie z optických vlákien a laserovej technológie, najmä v špičkových laserových technológiách, ako sú vysokovýkonné lasery jadrovej fúzie, vysokoenergetický rytmus dlaždicové lasery a lasery na zbrane s vysokou energiou.

Okrem toho sa ytterbium používa aj ako fluorescenčný práškový aktivátor, rádiová keramika, prísady do elektronických počítačových pamäťových komponentov (magnetické bubliny) a prísady do optického skla. Malo by sa zdôrazniť, že ytrium aj ytrium sú prvky vzácnych zemín. Hoci existujú značné rozdiely v anglických názvoch a symboloch prvkov, čínska fonetická abeceda má rovnaké slabiky. V niektorých čínskych prekladoch sa ytrium niekedy mylne označuje ako ytrium. V tomto prípade musíme sledovať pôvodný text a skombinovať symboly prvkov na potvrdenie.