Магічний рідкоземельний елемент: ітербій

Ітербій: атомний номер 70, атомна вага 173,04, назва елемента походить від місця його відкриття. Вміст ітербію в корі становить 0,000266%, в основному присутній у родовищах фосфоритів і чорного рідкісного золота. Вміст у монациті становить 0,03%, і є 7 природних ізотопів

Виявлено

Автор: Маринак

Час: 1878 рік

Розташування: Швейцарія

У 1878 році швейцарські хіміки Жан Шарль і Г. Маріньяк відкрили новий рідкоземельний елемент в «ербій». У 1907 році Ульбан і Вейлс відзначили, що Маріньяк розділив суміш оксиду лютецію та оксиду ітербію. На згадку про невелике село під назвою Yteerby поблизу Стокгольма, де було виявлено ітрієву руду, цей новий елемент назвали Ітербій із символом Yb.

Електронна конфігурація

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

метал

Металевий ітербій сріблясто-сірий, пластичний і має м’яку структуру. При кімнатній температурі ітербій може повільно окислюватися повітрям і водою.

Існує дві кристалічні структури: α- тип гранецентрованої кубічної кристалічної системи (кімнатна температура -798 ℃); β-Тип являє собою об’ємно-центровану кубічну (вище 798 ℃) решітку. Температура плавлення 824 ℃, температура кипіння 1427 ℃, відносна щільність 6,977 (α-тип), 6,54 (β- тип).

Нерозчинний у холодній воді, розчинний у кислотах і рідкому аміаку. Він досить стійкий на повітрі. Подібно до самарію та європію, ітербій належить до рідкісноземельних елементів зі змінною валентністю і може також перебувати в позитивному двовалентному стані на додаток до звичайної тривалентності.

Через цю змінну валентну характеристику одержання металевого ітербію не слід проводити електролізом, а методом відновної дистиляції для отримання та очищення. Зазвичай металевий лантан використовується як відновник для відновної дистиляції, використовуючи різницю між високим тиском пари металевого ітербію та низьким тиском пари металевого лантану. Як альтернатива,тулія, ітербій, ілютеційконцентрати можуть бути використані як сировина, аметалевий лантанможна використовувати як відновник. За умов високотемпературного вакууму> 1100 ℃ і <0,133 Па металевий ітербій можна безпосередньо витягнути шляхом відновної дистиляції. Подібно до самарію та європію, ітербій також можна відокремити та очистити шляхом мокрого відновлення. Зазвичай в якості сировини використовують концентрати тулію, ітербію, лютецію. Після розчинення ітербій відновлюється до двовалентного стану, викликаючи значні відмінності у властивостях, а потім відокремлюється від інших тривалентних рідкоземельних елементів. Продукція високої чистотиоксид ітербіюзазвичай проводять екстракційною хроматографією або іонообмінним методом.

застосування

Використовується для виготовлення спеціальних сплавів. Ітербієві сплави знайшли застосування в стоматології для металургійних і хімічних експериментів.

Останніми роками ітербій з’явився і швидко розвивався в області оптоволоконного зв’язку та лазерних технологій.

З побудовою та розвитком «інформаційної магістралі» комп’ютерні мережі та міжміські волоконно-оптичні системи передачі висувають все більш високі вимоги до характеристик волоконно-оптичних матеріалів, що використовуються в оптичному зв’язку. Завдяки своїм чудовим спектральним властивостям іони ітербію можуть бути використані як матеріали для підсилення волокон для оптичного зв’язку, як ербій і тулій. Хоча рідкоземельний елемент ербій все ще є основним гравцем у підготовці волоконних підсилювачів, традиційні леговані ербієм кварцові волокна мають невелику смугу посилення (30 нм), що ускладнює виконання вимог щодо високошвидкісної та високоємної передачі інформації. Іони Yb3+ мають набагато більший поперечний переріз поглинання, ніж іони Er3+, близько 980 нм. Завдяки ефекту сенсибілізації Yb3+ і передачі енергії ербію та ітербію світло 1530 нм може бути значно посилено, тим самим значно покращуючи ефективність посилення світла.

В останні роки дослідники все більше віддають перевагу фосфатному склу, легованому ербієм ітербієм. Фосфатне та фторфосфатне скло має добру хімічну та термічну стабільність, а також широкий коефіцієнт пропускання інфрачервоного випромінювання та високі характеристики нерівномірного розширення, що робить їх ідеальними матеріалами для широкосмугового та високого підсилення скловолокна, легованого ербієм. Оптоволоконні підсилювачі, леговані Yb3+, можуть досягати посилення потужності та малого посилення сигналу, що робить їх придатними для таких областей, як волоконно-оптичні датчики, лазерний зв’язок у вільному просторі та посилення надкоротких імпульсів. На даний момент у Китаї створено найбільшу в світі одноканальну пропускну здатність і найшвидшу оптичну систему передачі, а також має найширшу інформаційну магістраль у світі. Оптоволоконні підсилювачі та лазерні матеріали, леговані ітербієм та іншими рідкоземельними елементами, відіграють у них вирішальну та значну роль.

Спектральні характеристики ітербію також використовуються як високоякісні лазерні матеріали, як у вигляді лазерних кристалів, лазерних стекол і волоконних лазерів. Будучи високопотужним лазерним матеріалом, леговані ітербієм лазерні кристали сформували величезну серію, включаючи легований ітербієм ітрій-алюмінієвий гранат (Yb: YAG), легований ітербієм гадоліній-галієвий гранат (Yb: GGG), легований ітербієм фторфосфат кальцію (Yb: FAP) , легований ітербієм фторфосфат стронцію (Yb: S-FAP), легований ітербієм ванадат ітрію (Yb: YV04), легований ітербієм борат і силікат. Напівпровідниковий лазер (LD) — це новий тип джерела накачування для твердотільних лазерів. Yb: YAG має багато характеристик, придатних для високопотужного накачування LD, і став лазерним матеріалом для високопотужного накачування LD. Yb: Кристал S-FAP може використовуватися як лазерний матеріал для лазерного ядерного синтезу в майбутньому, що привернуло увагу людей. У регульованих лазерних кристалах є хром, ітербій, гольмій, ітрій, алюміній, галієвий гранат (Cr, Yb, Ho: YAGG) з довжиною хвилі від 2,84 до 3,05 мкм, що плавно регулюється між m. Згідно зі статистичними даними, більшість інфрачервоних боєголовок, які використовуються в ракетах у всьому світі, використовують 3-5 мкм. Тому розробка лазерів Cr, Yb, Ho: YSGG може забезпечувати ефективні перешкоди для засобів протидії керованій зброї в середньому інфрачервоному діапазоні та має важливе військове значення. Китай досяг ряду інноваційних результатів із міжнародним передовим рівнем у галузі лазерних кристалів, легованих ітербієм (Yb: YAG, Yb: FAP, Yb: SFAP тощо), вирішуючи ключові технології, такі як вирощування кристалів і швидкий лазер, імпульсний, безперервний і регульований вихід. Результати досліджень були застосовані в національній обороні, промисловості та науковій інженерії, а вироби з кристалів, легованих ітербієм, експортувалися до багатьох країн і регіонів, таких як Сполучені Штати та Японія.

Іншою основною категорією матеріалів для ітербієвих лазерів є лазерне скло. Було розроблено різні лазерні скла з високим перерізом випромінювання, включаючи телурит германію, ніобат кремнію, борат і фосфат. Завдяки легкості формування скла, його можна виготовляти у великі розміри та має такі характеристики, як висока пропускна здатність світла та висока однорідність, що робить можливим виробництво потужних лазерів. Звичне лазерне скло для рідкісноземельних металів раніше було в основному неодимовим склом, яке має понад 40-річну історію розвитку та розвинені технології виробництва та застосування. Він завжди був кращим матеріалом для потужних лазерних пристроїв і використовувався в експериментальних пристроях ядерного синтезу та лазерній зброї. Високопотужні лазерні пристрої, побудовані в Китаї, що складаються з лазерного неодимового скла як основного лазерного середовища, досягли передового світового рівня. Але лазерне неодимове скло тепер стикається з потужним викликом лазерного ітербієвого скла.

В останні роки велика кількість досліджень показала, що багато властивостей лазерного ітербієвого скла перевершують властивості неодимового скла. Завдяки тому, що легована ітербієм люмінесценція має лише два енергетичні рівні, ефективність накопичення енергії висока. При такому самому посиленні ітербієве скло має ефективність накопичення енергії в 16 разів вища, ніж неодимове скло, і тривалість флуоресценції в 3 рази більшу, ніж у неодимового скла. Він також має такі переваги, як висока концентрація легування, ширина смуги поглинання та можливість безпосереднього накачування напівпровідниками, що робить його дуже придатним для потужних лазерів. Однак практичне застосування ітербієвого лазерного скла часто покладається на допомогу неодиму, наприклад використання Nd3+ як сенсибілізатора, щоб ітербієве лазерне скло працювало при кімнатній температурі, а μ Лазерне випромінювання досягається на довжині хвилі m. Таким чином, ітербій і неодим є як конкурентами, так і партнерами по співпраці в галузі лазерного скла.

Регулюючи склад скла, можна покращити багато люмінесцентних властивостей ітербієвого лазерного скла. З розвитком потужних лазерів як основного напрямку, лазери з ітербієвого лазерного скла все ширше використовуються в сучасній промисловості, сільському господарстві, медицині, наукових дослідженнях і військових застосуваннях.

Військове використання: використання енергії, отриманої в результаті ядерного синтезу, як енергії завжди було очікуваною метою, а досягнення контрольованого ядерного синтезу стане для людства важливим засобом вирішення енергетичних проблем. Лазерне скло, леговане ітербієм, стає кращим матеріалом для досягнення модернізації термоядерного синтезу з інерційним утриманням (ICF) у 21 столітті завдяки його відмінним характеристикам лазера.

Лазерна зброя використовує величезну енергію лазерного променя, щоб вражати та знищувати цілі, генеруючи температуру в мільярди градусів Цельсія та атакуючи безпосередньо зі швидкістю світла. Вони можуть називатися Nadana і мають велику летальність, особливо придатну для сучасних систем протиповітряної оборони у війні. Чудові характеристики лазерного скла, легованого ітербієм, зробили його важливим основним матеріалом для виробництва потужної та високоефективної лазерної зброї.

Волоконний лазер — це нова технологія, яка швидко розвивається, і також відноситься до сфери застосування лазерного скла. Волоконний лазер — це лазер, який використовує волокно як лазерне середовище, яке є продуктом поєднання волоконної та лазерної технології. Це нова лазерна технологія, розроблена на основі технології волоконного підсилювача, легованого ербієм (EDFA). Волоконний лазер складається з напівпровідникового лазерного діода як джерела накачування, волоконно-оптичного хвилеводу та підсилювального середовища, а також оптичних компонентів, таких як гратчасті волокна та з’єднувачі. Він не вимагає механічного регулювання оптичного шляху, а механізм компактний і простий в інтеграції. Порівняно з традиційними твердотільними лазерами та напівпровідниковими лазерами, він має технологічні та продуктивні переваги, такі як висока якість променя, хороша стабільність, сильна стійкість до впливу навколишнього середовища, відсутність регулювання, обслуговування та компактна структура. Через те, що леговані іони в основному Nd+3, Yb+3, Er+3, Tm+3, Ho+3, усі з яких використовують рідкоземельні волокна як підсилювальне середовище, волоконний лазер, розроблений компанією, також може можна назвати рідкоземельним волоконним лазером.

Застосування лазера: Останніми роками високопотужний волоконний лазер із подвійним покриттям, легований ітербієм, став гарячою сферою твердотільних лазерних технологій у всьому світі. Він має такі переваги, як хороша якість променя, компактна структура та висока ефективність перетворення, а також широкі перспективи застосування в промисловій обробці та інших сферах. Волокна з подвійним покриттям, леговані ітербієм, придатні для накачування лазером напівпровідника, мають високу ефективність зв’язку та високу вихідну потужність лазера, і є основним напрямком розвитку волокон, легованих ітербієм. Китайська технологія волокон, легованих ітербієм, більше не відповідає передовому рівню зарубіжних країн. Волокно, леговане ітербієм, волокно з подвійним покриттям, леговане ітербієм, і волокно, леговане ербієм ітербієм, розроблене в Китаї, досягло передового рівня подібних іноземних продуктів з точки зору продуктивності та надійності, має економічні переваги та має основні запатентовані технології для багатьох продуктів і методів .

Всесвітньо відома німецька лазерна компанія IPG нещодавно оголосила, що нещодавно запущена волоконна лазерна система, легована ітербієм, має відмінні характеристики променя, термін служби насоса понад 50 000 годин, центральну довжину хвилі випромінювання 1070-1080 нм і вихідну потужність до 20 кВт. Він застосовувався для тонкого зварювання, різання та буріння гірських порід.

Лазерні матеріали є ядром і основою для розвитку лазерних технологій. У лазерній промисловості завжди існувало прислів’я «одне покоління матеріалів, одне покоління пристроїв». Щоб розробити передові та практичні лазерні пристрої, необхідно спочатку мати високоефективні лазерні матеріали та інтегрувати інші відповідні технології. Лазерні кристали, леговані ітербієм, і лазерне скло, як нова сила твердих лазерних матеріалів, сприяють інноваційному розвитку волоконно-оптичних комунікаційних і лазерних технологій, особливо в передових лазерних технологіях, таких як високопотужні лазери ядерного синтезу, високоенергетичні биття плиткові лазери та високоенергетичні збройові лазери.

Крім того, ітербій також використовується як активатор флуоресцентного порошку, радіокераміка, добавки до електронних комп’ютерних компонентів пам’яті (магнітні бульбашки) і добавки до оптичного скла. Слід зазначити, що ітрій та ітрій є рідкоземельними елементами. Хоча існують значні відмінності в англійських назвах і символах елементів, китайський фонетичний алфавіт має однакові склади. У деяких китайських перекладах ітрій іноді помилково називають ітрієм. У цьому випадку нам потрібно відстежити вихідний текст і поєднати символи елементів для підтвердження.