Magiczny pierwiastek ziem rzadkich: Iterb

Iterb: liczba atomowa 70, masa atomowa 173,04, nazwa pierwiastka wynikająca z miejsca jego odkrycia. Zawartość iterbu w skorupie wynosi 0,000266% i występuje głównie w złożach fosforytów i czarnego, rzadkiego złota. Zawartość monacytu wynosi 0,03% i występuje 7 naturalnych izotopów

Odkryty

Autor: Marinak

Czas: 1878

Lokalizacja: Szwajcaria

W 1878 roku szwajcarscy chemicy Jean Charles i G Marignac odkryli nowy pierwiastek ziem rzadkich w „erbie”. W 1907 Ulban i Weils wskazali, że Marignac oddzielił mieszaninę tlenku lutetu i tlenku iterbu. Na pamiątkę małej wioski Yteerby niedaleko Sztokholmu, gdzie odkryto rudę itru, ten nowy pierwiastek nazwano Iterbem i symbolem Yb.

Konfiguracja elektronowa

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

Metal

Iterb metaliczny jest srebrnoszary, plastyczny i ma miękką teksturę. W temperaturze pokojowej iterb można powoli utleniać powietrzem i wodą.

Istnieją dwie struktury krystaliczne: α- Typ to sześcienny układ kryształów skupiony na ścianie (temperatura pokojowa -798 ℃); β- Typ to siatka sześcienna wyśrodkowana na ciele (powyżej 798 ℃). Temperatura topnienia 824 ℃, temperatura wrzenia 1427 ℃, gęstość względna 6,977 (typ α), 6,54 (typ β).

Nierozpuszczalny w zimnej wodzie, rozpuszczalny w kwasach i ciekłym amoniaku. Jest dość stabilny w powietrzu. Podobnie jak samar i europ, iterb należy do pierwiastków ziem rzadkich o zmiennej wartościowości i oprócz tego, że jest zwykle trójwartościowy, może również znajdować się w dodatnim stanie dwuwartościowym.

Ze względu na tę zmienną charakterystykę wartościowości, wytwarzania iterbu metalicznego nie należy przeprowadzać metodą elektrolizy, ale metodą destylacji redukcyjnej w celu przygotowania i oczyszczenia. Zwykle lantan metaliczny stosuje się jako środek redukujący w destylacji redukcyjnej, wykorzystując różnicę między wysoką prężnością par iterbu metalicznego a niską prężnością par lantanu metalicznego. Alternatywnie,tul, iterb, Ilutetkoncentraty mogą być stosowane jako surowce, orazmetaliczny lantanmoże być stosowany jako środek redukujący. W warunkach próżni w wysokiej temperaturze> 1100 ℃ i <0,133 Pa iterb metaliczny można bezpośrednio ekstrahować poprzez destylację redukcyjną. Podobnie jak samar i europ, iterb można również oddzielić i oczyścić poprzez redukcję na mokro. Zwykle jako surowce stosuje się koncentraty tul, iterb i lutet. Po rozpuszczeniu iterb jest redukowany do stanu dwuwartościowego, powodując znaczne różnice we właściwościach, a następnie oddzielany od innych trójwartościowych pierwiastków ziem rzadkich. Produkcja o wysokiej czystościtlenek iterbuzwykle przeprowadza się metodą chromatografii ekstrakcyjnej lub metodą wymiany jonowej.

Aplikacja

Stosowany do produkcji stopów specjalnych. Stopy iterbu znalazły zastosowanie w medycynie stomatologicznej do eksperymentów metalurgicznych i chemicznych.

W ostatnich latach iterb pojawił się i szybko rozwinął w dziedzinie komunikacji światłowodowej i technologii laserowej.

Wraz z budową i rozwojem „autostrady informacyjnej” sieci komputerowe i systemy transmisji światłowodowej na duże odległości stawiają coraz wyższe wymagania w zakresie parametrów użytkowych materiałów światłowodowych stosowanych w komunikacji optycznej. Jony iterbu, ze względu na swoje doskonałe właściwości spektralne, mogą być stosowane jako materiały wzmacniające włókna w komunikacji optycznej, podobnie jak erb i tul. Chociaż erb z pierwiastków ziem rzadkich nadal odgrywa główną rolę w przygotowywaniu wzmacniaczy światłowodowych, tradycyjne włókna kwarcowe domieszkowane erbem mają małą szerokość pasma wzmocnienia (30 nm), co utrudnia spełnienie wymagań szybkiej i dużej przepustowości transmisji informacji. Jony Yb3+ mają znacznie większy przekrój absorpcji niż jony Er3+ przy długości fali około 980 nm. Dzięki działaniu uczulającemu Yb3+ oraz transferowi energii erbu i iterbu, światło o długości fali 1530 nm można znacznie wzmocnić, co znacznie poprawia skuteczność wzmocnienia światła.

W ostatnich latach badacze coraz częściej preferują szkło fosforanowe domieszkowane erbem i iterbem. Szkła fosforanowe i fluorofosforanowe charakteryzują się dobrą stabilnością chemiczną i termiczną, a także szeroką przepuszczalnością podczerwieni i dużą, nierównomierną charakterystyką poszerzenia, co czyni je idealnymi materiałami do szerokopasmowego i wzmocnionego włókna szklanego domieszkowanego erbem o dużym wzmocnieniu. Wzmacniacze światłowodowe domieszkowane Yb3+ mogą osiągnąć wzmocnienie mocy i wzmocnienie małego sygnału, dzięki czemu nadają się do takich pól, jak czujniki światłowodowe, komunikacja laserowa w wolnej przestrzeni i wzmocnienie ultrakrótkich impulsów. Chiny zbudowały obecnie największy na świecie jednokanałowy system transmisji optycznej o największej przepustowości i najszybszej prędkości, a także najszerszą na świecie autostradę informacyjną. Wzmacniacze światłowodowe domieszkowane iterbem i innymi pierwiastkami ziem rzadkich oraz materiały laserowe odgrywają w nich kluczową i znaczącą rolę.

Charakterystyka widmowa iterbu jest również wykorzystywana jako wysokiej jakości materiały laserowe, zarówno jako kryształy laserowe, okulary laserowe, jak i lasery światłowodowe. Jako materiał laserowy o dużej mocy, kryształy laserowe domieszkowane iterbem utworzyły ogromną serię, w tym granat itrowo-glinowy domieszkowany iterbem (Yb: YAG), granat gadolinowo-galowy domieszkowany iterbem (Yb: GGG), fluorofosforan wapnia domieszkowany iterbem (Yb: FAP) , fluorofosforan strontu domieszkowany iterbem (Yb: S-FAP), iterb domieszkowany wanadan itru (Yb: YV04), boran domieszkowany iterbem i krzemian. Laser półprzewodnikowy (LD) to nowy typ źródła pompującego dla laserów na ciele stałym. Yb: YAG ma wiele cech odpowiednich do pompowania LD o dużej mocy i stał się materiałem laserowym do pompowania LD o dużej mocy. Yb: Kryształ S-FAP może w przyszłości zostać wykorzystany jako materiał laserowy do laserowej syntezy jądrowej, co przyciągnęło uwagę ludzi. W przestrajalnych kryształach lasera występuje chrom, iterb, holm, itr, aluminium i gal, granat (Cr, Yb, Ho: YAGG) o długości fal w zakresie od 2,84 do 3,05 μ. Płynna regulacja w zakresie m. Według statystyk większość głowic bojowych na podczerwień stosowanych w rakietach na całym świecie wykorzystuje 3-5 μ. Dlatego rozwój laserów Cr, Yb, Ho: YSGG może zapewnić skuteczną interferencję w przypadku środków przeciwdziałania broni kierowanej w średniej podczerwieni i ma ważne znaczenie militarne. Chiny osiągnęły szereg innowacyjnych wyników na międzynarodowym poziomie zaawansowanym w dziedzinie kryształów laserowych domieszkowanych iterbem (Yb: YAG, Yb: FAP, Yb: SFAP itp.), rozwiązując kluczowe technologie, takie jak wzrost kryształów i laser szybki, impulsowy, ciągła i regulowana moc wyjściowa. Wyniki badań znalazły zastosowanie w obronie narodowej, przemyśle i inżynierii naukowej, a produkty z kryształów domieszkowanych iterbem były eksportowane do wielu krajów i regionów, takich jak Stany Zjednoczone i Japonia.

Inną ważną kategorią materiałów do lasera iterbowego jest szkło laserowe. Opracowano różne wysokoemisyjne szkła laserowe o przekroju poprzecznym, w tym telluryt germanu, niobian krzemu, boran i fosforan. Ze względu na łatwość formowania szkła można go wytwarzać w dużych rozmiarach, a jego cechy, takie jak wysoka przepuszczalność światła i wysoka jednorodność, umożliwiają produkcję laserów o dużej mocy. Znane szkło laserowe z pierwiastkami ziem rzadkich składało się głównie ze szkła neodymowego, którego historia rozwoju wynosi ponad 40 lat oraz dojrzała technologia produkcji i stosowania. Zawsze był preferowanym materiałem na urządzenia laserowe dużej mocy i był stosowany w eksperymentalnych urządzeniach do syntezy jądrowej i broni laserowej. Urządzenia laserowe dużej mocy budowane w Chinach, składające się z laserowego szkła neodymowego jako głównego ośrodka laserowego, osiągnęły światowy poziom zaawansowany. Jednak laserowe szkło neodymowe stoi obecnie przed poważnym wyzwaniem ze strony laserowego szkła iterbowego.

W ostatnich latach duża liczba badań wykazała, że ​​wiele właściwości laserowego szkła iterbowego przewyższa właściwości szkła neodymowego. Ze względu na fakt, że luminescencja domieszkowana iterbem ma tylko dwa poziomy energii, wydajność magazynowania energii jest wysoka. Przy tym samym wzmocnieniu szkło iterbowe ma 16 razy większą wydajność magazynowania energii niż szkło neodymowe i 3 razy większą trwałość fluorescencji niż szkło neodymowe. Ma również zalety, takie jak wysokie stężenie domieszkowania, szerokość pasma absorpcji i może być bezpośrednio pompowany przez półprzewodniki, dzięki czemu doskonale nadaje się do laserów dużej mocy. Jednak praktyczne zastosowanie szkła lasera iterbowego często opiera się na wsparciu neodymu, na przykład zastosowaniu Nd3+ jako sensybilizatora, aby szkło lasera iterbowego działało w temperaturze pokojowej, a emisję lasera μ osiąga się przy długości fali m. Zatem iterb i neodym są zarówno konkurentami, jak i partnerami współpracującymi w dziedzinie szkła laserowego.

Dostosowując skład szkła, można poprawić wiele właściwości luminescencyjnych szkła lasera iterbowego. Wraz z rozwojem laserów dużej mocy jako głównym kierunkiem, lasery wykonane ze szkła lasera iterbowego znajdują coraz szersze zastosowanie we współczesnym przemyśle, rolnictwie, medycynie, badaniach naukowych i zastosowaniach wojskowych.

Zastosowanie wojskowe: Wykorzystanie energii wytworzonej w wyniku syntezy jądrowej jako energii zawsze było oczekiwanym celem, a osiągnięcie kontrolowanej syntezy jądrowej będzie dla ludzkości ważnym sposobem rozwiązania problemów energetycznych. Szkło laserowe domieszkowane iterbem staje się preferowanym materiałem do uzyskiwania ulepszeń w zakresie inercyjnej syntezy termojądrowej (ICF) w XXI wieku ze względu na doskonałą wydajność lasera.

Broń laserowa wykorzystuje ogromną energię wiązki laserowej do uderzania i niszczenia celów, generując temperatury rzędu miliardów stopni Celsjusza i bezpośrednio atakując z prędkością światła. Można je nazwać Nadana i mają dużą śmiertelność, szczególnie odpowiednie dla nowoczesnych systemów broni przeciwlotniczej podczas działań wojennych. Doskonałe właściwości szkła laserowego domieszkowanego iterbem sprawiły, że stało się ono ważnym podstawowym materiałem do produkcji broni laserowej o dużej mocy i wydajności.

Laser światłowodowy to szybko rozwijająca się nowa technologia, która również należy do dziedziny zastosowań szkła laserowego. Laser światłowodowy to laser wykorzystujący włókno jako medium laserowe, będący efektem połączenia technologii światłowodowej i laserowej. Jest to nowa technologia laserowa opracowana w oparciu o technologię wzmacniacza światłowodowego domieszkowanego erbem (EDFA). Laser światłowodowy składa się z półprzewodnikowej diody laserowej będącej źródłem pompy, światłowodu i ośrodka wzmacniającego oraz elementów optycznych, takich jak włókna siatkowe i łączniki. Nie wymaga mechanicznej regulacji toru optycznego, a mechanizm jest kompaktowy i łatwy w integracji. W porównaniu z tradycyjnymi laserami na ciele stałym i laserami półprzewodnikowymi ma zalety technologiczne i wydajnościowe, takie jak wysoka jakość wiązki, dobra stabilność, duża odporność na zakłócenia środowiskowe, brak regulacji, brak konserwacji i zwarta konstrukcja. Ze względu na fakt, że domieszkowane jony to głównie Nd+3, Yb+3, Er+3, Tm+3, Ho+3, z których wszystkie wykorzystują włókna ziem rzadkich jako media wzmacniające, opracowany przez firmę laser światłowodowy może również nazwać laserem światłowodowym ziem rzadkich.

Zastosowanie lasera: Laser światłowodowy o dużej mocy domieszkowany iterbem z podwójnym płaszczem stał się w ostatnich latach gorącym polem w technologii laserów na ciele stałym na arenie międzynarodowej. Ma zalety dobrej jakości wiązki, zwartej konstrukcji i wysokiej wydajności konwersji, a także ma szerokie perspektywy zastosowania w przetwórstwie przemysłowym i innych dziedzinach. Podwójnie platerowane włókna domieszkowane iterbem nadają się do pompowania laserem półprzewodnikowym, charakteryzują się wysoką wydajnością sprzęgania i dużą mocą wyjściową lasera i stanowią główny kierunek rozwoju włókien domieszkowanych iterbem. Chińska technologia włókien domieszkowanych iterbem z podwójnym płaszczem nie dorównuje już zaawansowanemu poziomowi innych krajów. Włókna domieszkowane iterbem, podwójnie platerowane włókno domieszkowane iterbem i włókno domieszkowane iterbem erbem opracowane w Chinach osiągnęły zaawansowany poziom podobnych produktów zagranicznych pod względem wydajności i niezawodności, mają przewagę kosztową i mają podstawowe opatentowane technologie dla wielu produktów i metod .

Znana na całym świecie niemiecka firma produkująca lasery IPG ogłosiła niedawno, że ich nowo wprowadzony na rynek system lasera światłowodowego domieszkowanego iterbem ma doskonałe właściwości wiązki, żywotność pompy ponad 50 000 godzin, centralną długość fali emisji wynoszącą 1070 nm–1080 nm i moc wyjściową do 20 kW. Stosowano go do precyzyjnego spawania, cięcia i wiercenia w kamieniu.

Materiały laserowe stanowią rdzeń i podstawę rozwoju technologii laserowej. W branży laserowej zawsze było takie powiedzenie, że „jedna generacja materiałów, jedna generacja urządzeń”. Aby opracować zaawansowane i praktyczne urządzenia laserowe, konieczne jest najpierw posiadanie materiałów laserowych o wysokiej wydajności i zintegrowanie innych odpowiednich technologii. Kryształy laserowe i szkło laserowe domieszkowane iterbem, jako nowa siła stałych materiałów laserowych, promują innowacyjny rozwój komunikacji światłowodowej i technologii laserowej, szczególnie w najnowocześniejszych technologiach laserowych, takich jak lasery termojądrowe dużej mocy, uderzenia wysokoenergetyczne lasery kafelkowe i lasery wysokoenergetyczne.

Ponadto iterb znajduje zastosowanie także jako aktywator proszków fluorescencyjnych, ceramiki radiowej, dodatki do elementów pamięci komputerów elektronicznych (pęcherzyki magnetyczne) oraz dodatki do szkła optycznego. Należy podkreślić, że itr i itr są pierwiastkami ziem rzadkich. Chociaż istnieją znaczne różnice w angielskich nazwach i symbolach elementów, chiński alfabet fonetyczny ma te same sylaby. W niektórych chińskich tłumaczeniach itr jest czasami błędnie określany jako itr. W takim przypadku musimy prześledzić oryginalny tekst i połączyć symbole elementów, aby to potwierdzić.