Magický prvek vzácných zemin: Ytterbium

Ytterbium: atomové číslo 70, atomová hmotnost 173,04, název prvku odvozený od místa jeho objevu. Obsah ytterbia v kůře je 0,000266 %, přítomno především v ložiskách fosforitu a černého vzácného zlata. Obsah v monazitu je 0,03% a existuje 7 přírodních izotopů

Objeveno

Autor: Marinak

Čas: 1878

Místo: Švýcarsko

V roce 1878 objevili švýcarští chemici Jean Charles a G Marignac nový prvek vzácných zemin v „erbiu“. V roce 1907 Ulban a Weils poukázali na to, že Marignac oddělil směs oxidu lutteitého a oxidu ytterbia. Na památku malé vesnice jménem Yteerby nedaleko Stockholmu, kde byla objevena ruda ytria, byl tento nový prvek pojmenován Ytterbium se symbolem Yb.

Konfigurace elektronů

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

Kov

Kovové ytterbium je stříbrně šedé, tvárné a má měkkou texturu. Při pokojové teplotě může být ytterbium pomalu oxidováno vzduchem a vodou.

Existují dvě krystalové struktury: α- Typ je plošně centrovaný krychlový krystalový systém (pokojová teplota -798 ℃); β- Typ je kubická (nad 798 ℃) mřížka se středem těla. Bod tání 824 ℃, bod varu 1427 ℃, relativní hustota 6,977 (typ α), 6,54 (typ β-).

Nerozpustný ve studené vodě, rozpustný v kyselinách a kapalném amoniaku. Na vzduchu je celkem stabilní. Podobně jako samarium a europium patří ytterbium mezi vzácné zeminy s proměnlivou valenci a kromě toho, že je obvykle trivalentní, může být také v kladném dvojmocném stavu.

Vzhledem k této proměnlivé valenční charakteristice by příprava kovového ytterbia neměla být prováděna elektrolýzou, ale metodou redukční destilace pro přípravu a čištění. Obvykle se kovový lanthan používá jako redukční činidlo pro redukční destilaci, využívající rozdílu mezi vysokým tlakem par kovového ytterbia a nízkým tlakem par kovového lanthanu. Alternativně,thulium, ytterbiumaluteciumkoncentráty lze použít jako suroviny akovový lanthanlze použít jako redukční činidlo. Za podmínek vysokoteplotního vakua >1100 ℃ a <0,133Pa lze kovové ytterbium přímo extrahovat redukční destilací. Stejně jako samarium a europium lze i ytterbium separovat a čistit mokrou redukcí. Obvykle se jako suroviny používají koncentráty thulium, ytterbium a lutecium. Po rozpuštění se ytterbium redukuje do dvojmocného stavu, což způsobuje značné rozdíly ve vlastnostech, a poté se oddělí od ostatních trojmocných vzácných zemin. Výroba vysoké čistotyoxid ytterbiumse obvykle provádí extrakční chromatografií nebo iontoměničovou metodou.

Aplikace

Používá se pro výrobu speciálních slitin. Slitiny ytterbia se používají v zubním lékařství pro metalurgické a chemické experimenty.

V posledních letech se ytterbium objevilo a rychle se rozvinulo v oblasti komunikace s optickými vlákny a laserové technologie.

S výstavbou a rozvojem „informační dálnice“ mají počítačové sítě a dálkové přenosové systémy s optickými vlákny stále vyšší požadavky na výkon materiálů optických vláken používaných v optické komunikaci. Ionty ytterbia mohou být díky svým vynikajícím spektrálním vlastnostem použity jako vláknové zesilovací materiály pro optickou komunikaci, stejně jako erbium a thulium. Přestože erbium prvků vzácných zemin je stále hlavním hráčem při přípravě vláknových zesilovačů, tradiční křemenná vlákna dotovaná erbiem mají malou šířku pásma zisku (30nm), což ztěžuje splnění požadavků na vysokorychlostní a vysokokapacitní přenos informací. Yb3+ionty mají mnohem větší absorpční průřez než Er3+ionty kolem 980nm. Prostřednictvím senzibilizačního účinku Yb3+ a přenosu energie erbia a ytterbia může být 1530nm světlo výrazně zvýšeno, čímž se výrazně zlepší účinnost zesílení světla.

V posledních letech výzkumníci stále více upřednostňují erbium ytterbiem kodopované fosfátové sklo. Fosfátová a fluorofosfátová skla mají dobrou chemickou a tepelnou stabilitu, stejně jako širokou propustnost infračerveného záření a velké nerovnoměrné rozšiřující se charakteristiky, což z nich dělá ideální materiály pro širokopásmové a erbiem dopované zesilovací sklo s vysokým ziskem. Vláknové zesilovače dopované Yb3+ mohou dosáhnout zesílení výkonu a malého zesílení signálu, díky čemuž jsou vhodné pro pole, jako jsou senzory z optických vláken, laserová komunikace ve volném prostoru a zesílení ultrakrátkých pulzů. Čína v současnosti vybudovala celosvětově největší jednokanálovou kapacitu a nejrychlejší optický přenosový systém a má nejširší informační dálnici na světě. Zásadní a významnou roli v nich hrají vláknové zesilovače a laserové materiály dopované ytterbiem a dalšími vzácnými zeminami.

Spektrální charakteristiky ytterbia se také používají jako vysoce kvalitní laserové materiály, a to jak laserové krystaly, laserová skla, tak vláknové lasery. Jako vysoce výkonný laserový materiál vytvořily ytterbiem dopované laserové krystaly obrovskou sérii, včetně ytterbiem dopovaného ytriumhlinitého granátu (Yb: YAG), ytterbiem dopovaného gadolinia galliového granátu (Yb: GGG), ytterbiem dopovaného fluorofosfátu vápenatého (Yb: FAP) , ytterbiem dopovaný fluorfosfát strontnatý (Yb: S-FAP), ytterbiem dopovaný yttrium vanadičnan (Yb: YV04), ytterbiem dopovaný boritan a silikát. Polovodičový laser (LD) je nový typ čerpacího zdroje pro pevnolátkové lasery. Yb: YAG má mnoho vlastností vhodných pro vysoce výkonné LD čerpání a stal se laserovým materiálem pro vysoce výkonné LD čerpání. Yb: Krystal S-FAP může být v budoucnu použit jako laserový materiál pro laserovou jadernou fúzi, což přitahuje pozornost lidí. V laditelných laserových krystalech je chrom ytterbium holmium yttrium hliník galliový granát (Cr, Yb, Ho: YAGG) s vlnovými délkami v rozmezí od 2,84 do 3,05 μ Plynule nastavitelné mezi m. Podle statistik většina infračervených hlavic používaných v raketách po celém světě používá 3-5 μ. Proto vývoj laserů Cr, Yb, Ho: YSGG může poskytnout účinné rušení pro protiopatření zbraní naváděných středním infračerveným zářením a má důležitý vojenský význam. Čína dosáhla řady inovativních výsledků s mezinárodní pokročilou úrovní v oblasti laserových krystalů dopovaných ytterbiem (Yb: YAG, Yb: FAP, Yb: SFAP atd.), řeší klíčové technologie, jako je růst krystalů a laserová rychlá, pulzní, kontinuální a nastavitelný výstup. Výsledky výzkumu byly použity v národní obraně, průmyslu a vědeckém inženýrství a produkty z krystalů dopovaných ytterbiem byly exportovány do mnoha zemí a regionů, jako jsou Spojené státy a Japonsko.

Další hlavní kategorií ytterbiových laserových materiálů je laserové sklo. Byla vyvinuta různá laserová skla s vysokým emisním průřezem, včetně germaniového teluritu, niobátu křemíku, boritanu a fosfátu. Díky snadnému tvarování skla může být vyrobeno do velkých velikostí a má vlastnosti, jako je vysoká propustnost světla a vysoká rovnoměrnost, což umožňuje vyrábět vysoce výkonné lasery. Známým laserovým sklem ze vzácných zemin bývalo především neodymové sklo, které má více než 40letou historii vývoje a vyzrálou technologii výroby a aplikace. Vždy byl preferovaným materiálem pro vysoce výkonná laserová zařízení a byl používán v experimentálních zařízeních pro jadernou fúzi a laserových zbraních. Vysoce výkonná laserová zařízení vyrobená v Číně, sestávající z laserového neodymového skla jako hlavního laserového média, dosáhla světové pokročilé úrovně. Ale laserové neodymové sklo nyní čelí silné výzvě laserového ytterbiového skla.

V posledních letech velké množství studií ukázalo, že mnoho vlastností laserového ytterbiového skla převyšuje vlastnosti neodymového skla. Vzhledem k tomu, že ytterbiem dopovaná luminiscence má pouze dvě energetické úrovně, je účinnost skladování energie vysoká. Při stejném zisku má ytterbiové sklo účinnost akumulace energie 16krát vyšší než neodymové sklo a životnost fluorescence 3krát větší než neodymové sklo. Má také výhody, jako je vysoká koncentrace dopingu, šířka pásma absorpce a může být přímo čerpán polovodiči, takže je velmi vhodný pro vysoce výkonné lasery. Praktické použití ytterbiového laserového skla však často závisí na pomoci neodymu, jako je použití Nd3+ jako senzibilizátoru, aby sklo ytterbiového laseru fungovalo při pokojové teplotě a μ Laserové emise je dosaženo při vlnové délce m. Takže ytterbium a neodym jsou jak konkurenti, tak partneři v oblasti laserového skla.

Úpravou složení skla lze zlepšit mnoho luminiscenčních vlastností skla ytterbiového laseru. S rozvojem vysokovýkonných laserů jako hlavního směru se lasery vyrobené z ytterbiového laserového skla stále častěji používají v moderním průmyslu, zemědělství, medicíně, vědeckém výzkumu a vojenských aplikacích.

Vojenské využití: Využití energie generované jadernou fúzí jako energie bylo vždy očekávaným cílem a dosažení řízené jaderné fúze bude pro lidstvo důležitým prostředkem k řešení energetických problémů. Laserové sklo dopované ytterbiem se v 21. století stává preferovaným materiálem pro dosažení vylepšení inerciální fúze (ICF) díky svému vynikajícímu výkonu laseru.

Laserové zbraně využívají obrovskou energii laserového paprsku k zasažení a zničení cílů, přičemž generují teploty v miliardách stupňů Celsia a přímo útočí rychlostí světla. Mohou být označovány jako Nadana a mají velkou letalitu, zvláště vhodné pro moderní zbraňové systémy protivzdušné obrany ve válce. Vynikající výkon laserového skla dopovaného ytterbiem z něj učinil důležitý základní materiál pro výrobu vysoce výkonných a vysoce výkonných laserových zbraní.

Vláknový laser je rychle se rozvíjející novou technologií a patří také do oblasti aplikací laserového skla. Vláknový laser je laser využívající jako laserové médium vlákno, které je produktem kombinace vlákna a laserové technologie. Jde o novou laserovou technologii vyvinutou na bázi technologie erbiem dopovaného vláknového zesilovače (EDFA). Vláknový laser se skládá z polovodičové laserové diody jako zdroje čerpadla, vlnovodu z optických vláken a zesilovacího média a optických komponent, jako jsou mřížková vlákna a vazební členy. Nevyžaduje mechanické nastavování optické dráhy a mechanismus je kompaktní a snadno se integruje. Ve srovnání s tradičními pevnolátkovými lasery a polovodičovými lasery má technologické a výkonové výhody, jako je vysoká kvalita paprsku, dobrá stabilita, silná odolnost vůči vlivům prostředí, žádné nastavování, žádná údržba a kompaktní struktura. Vzhledem k tomu, že dopované ionty jsou převážně Nd+3, Yb+3, Er+3, Tm+3, Ho+3, z nichž všechny využívají vlákna vzácných zemin jako ziskové médium, může vláknový laser vyvinutý společností také nazýváme vláknový laser vzácných zemin.

Aplikace laseru: Vysoce výkonný dvojitě plátovaný vláknitý laser dopovaný ytterbiem se v posledních letech mezinárodně stal horkým polem technologie pevnolátkových laserů. Má výhody dobré kvality paprsku, kompaktní struktury a vysoké účinnosti konverze a má široké uplatnění v průmyslovém zpracování a dalších oborech. Dvojitě plátovaná vlákna dopovaná ytterbiem jsou vhodná pro čerpání polovodičového laseru, s vysokou vazebnou účinností a vysokým výstupním výkonem laseru a jsou hlavním směrem vývoje vláken dopovaných ytterbiem. Čínská technologie dvojitě plátovaných vláken dopovaných ytterbiem již není na stejné úrovni s vyspělou úrovní cizích zemí. Vlákno dopované ytterbiem, dvojitě plátované vlákno dopované ytterbiem a vlákno dopované erbiem ytterbiem vyvinuté v Číně dosáhly pokročilé úrovně podobných zahraničních produktů z hlediska výkonu a spolehlivosti, mají nákladové výhody a mají základní patentované technologie pro více produktů a metod. .

Světově uznávaná německá laserová společnost IPG nedávno oznámila, že její nově uvedený laserový systém s vlákny dopovanými ytterbiem má vynikající vlastnosti paprsku, životnost čerpadla přes 50 000 hodin, vlnovou délku centrální emise 1070nm-1080nm a výstupní výkon až 20 kW. Používá se při jemném svařování, řezání a vrtání hornin.

Laserové materiály jsou jádrem a základem pro vývoj laserové technologie. V laserovém průmyslu se vždy říkalo „jedna generace materiálů, jedna generace zařízení“. Pro vývoj pokročilých a praktických laserových zařízení je nutné nejprve vlastnit vysoce výkonné laserové materiály a integrovat další relevantní technologie. Ytterbiem dopované laserové krystaly a laserové sklo, jako nová síla pevných laserových materiálů, podporují inovativní vývoj komunikace a laserové technologie z optických vláken, zejména v nejmodernějších laserových technologiích, jako jsou vysoce výkonné jaderné fúzní lasery, vysokoenergetický rytmus dlaždicové lasery a lasery se zbraněmi s vysokou energií.

Kromě toho se ytterbium používá také jako aktivátor fluorescenčního prášku, rádiová keramika, přísady do elektronických součástí počítačových pamětí (magnetické bubliny) a přísady do optického skla. Je třeba zdůraznit, že yttrium a yttrium jsou prvky vzácných zemin. Ačkoli existují významné rozdíly v anglických jménech a symbolech prvků, čínská fonetická abeceda má stejné slabiky. V některých čínských překladech je yttrium někdy mylně označováno jako yttrium. V tomto případě musíme vysledovat původní text a zkombinovat symboly prvků pro potvrzení.