Магични ретки земни елемент: Итербијум

Итербијум: атомски број 70, атомска тежина 173,04, назив елемента изведен по месту открића. Садржајитербијуму кори је 0,000266%, углавном присутан у фосфоритима и налазиштима црног ретког злата, док је садржај у монацитима 0,03%, са 7 природних изотопа.

Откривање историје

Открио/ла: Маринак

Време: 1878.

Локација: Швајцарска 

Године 1878, швајцарски хемичари Жан Шарл и Г. Марињак открили су нови реткоземни елемент, „ербијум“. Године 1907, Улбан и Вајлс су истакли да је Марињак одвојио смешу лутецијум оксида и итербијум оксида. У знак сећања на мало село по имену Итерби близу Стокхолма, где је откривена руда итријума, овај нови елемент је назван Итербијум са симболом Yb.

Електронска конфигурација

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

Метал

Метални итербијумсребрно сиве је боје, дуктилан и меке текстуре. На собној температури, итербијум може полако оксидовати ваздухом и водом.

Постоје две кристалне структуре: α- тип је површински центрирани кубични кристални систем (собна температура -798 ℃); β- тип је просторно центрирана кубична (изнад 798 ℃) решетка. Тачка топљења 824 ℃, тачка кључања 1427 ℃, релативна густина 6,977 (α- тип), 6,54 (β- тип).

Нерастворљив у хладној води, растворљив у киселинама и течном амонијаку. Доста је стабилан на ваздуху. Слично самаријуму и европијуму, итербијум припада ретким земним елементима променљиве валенције и може бити и у позитивном двовалентном стању поред тога што је обично тровалентно.

Због ове карактеристике променљиве валенције, припрема металног итербијума не би требало да се врши електролизом, већ методом редукционе дестилације за припрему и пречишћавање. Обично,метал лантансе користи као редукционо средство за редукциону дестилацију, користећи разлику између високог притиска паре метала итербијума и ниског притиска паре метала лантан. Алтернативно,тулијум, итербијумилутецијумКонцентрати се могу користити као сировине, а метални лантан се може користити као редукционо средство. Под условима вакуума на високој температури >1100 ℃ и <0,133 Pa, метални итербијум се може директно екстраховати редукционом дестилацијом. Каосамаријумиевропијум,Итербијум се такође може одвојити и пречистити влажном редукцијом. Обично се концентрати тулијума, итербијума и лутецијума користе као сировине. Након растварања, итербијум се редукује у двовалентно стање, што узрокује значајне разлике у својствима, а затим се одваја од других тровалентних ретких земаља. Производња високочистог итербијум оксида обично се врши екстракционом хроматографијом или методом јонске измене.

Примена

Користи се за производњу специјалних легура.Легуре итербијумапримењују се у стоматологији за металуршке и хемијске експерименте.

Последњих година, итербијум се појавио и брзо развио у областима оптичке комуникације и ласерске технологије.

Са изградњом и развојем „информационог аутопута“, рачунарске мреже и системи за пренос оптичких влакана на велике удаљености имају све веће захтеве за перформансе оптичких влакана која се користе у оптичкој комуникацији. Јони итербијума, због својих одличних спектралних својстава, могу се користити као материјали за појачавање влакана за оптичку комуникацију, баш као иербијумитулијумИако је ретки земни елемент ербијум и даље главни играч у производњи влакнастих појачавача, традиционална кварцна влакна допирана ербијумом имају мали пропусни опсег појачања (30 нм), што отежава испуњавање захтева за брзи и капацитетни пренос информација. Јони Yb3+ имају много већи попречни пресек апсорпције од јона Er3+ око 980 нм. Кроз ефекат сензибилизације Yb3+ и пренос енергије ербијума и итербијума, светлост од 1530 нм може се значајно побољшати, чиме се значајно побољшава ефикасност појачавања светлости.

Последњих година, истраживачи све више фаворизују фосфатно стакло допирано ербијумом и итербијумом. Фосфатна и флуорофосфатна стакла имају добру хемијску и термичку стабилност, као и широку инфрацрвену пропустљивост и велике карактеристике неуједначеног ширења, што их чини идеалним материјалима за широкопојасна и високо-појачана влакнаста стакла допирана ербијумом. Појачала са влакнима допирана Yb3+ могу постићи појачање снаге и појачање малих сигнала, што их чини погодним за области као што су сензори са оптичким влакнима, ласерска комуникација у слободном простору и појачање ултракратких импулса. Кина је тренутно изградила највећи светски систем оптичког преноса једног канала са највећом брзином и највећом брзином, и има најшири информациони аутопут на свету. Појачала са влакнима и ласерски материјали допирани итербијумом и другим ретким земљама играју кључну и значајну улогу у њима.

Спектралне карактеристике итербијума се такође користе као висококвалитетни ласерски материјали, како као ласерски кристали, ласерска стакла, тако и као влакнасти ласери. Као ласерски материјал велике снаге, ласерски кристали допирани итербијумом формирали су огромну серију, укључујући итербијумом допиране...итријум алуминијумгранат (Yb: YAG), допиран итербијумомгадолинијумгалијум гранат (Yb: GGG), итербијумом допирани калцијум флуорофосфат (Yb: FAP), итербијумом допирани стронцијум флуорофосфат (Yb: S-FAP), итербијумом допирани итријум ванадат (Yb: YV04), итербијумом допирани борат и силикат. Полупроводнички ласер (LD) је нови тип извора пумпе за чврсте ласере. Yb: YAG има многе карактеристике погодне за пумпање LD велике снаге и постао је ласерски материјал за пумпање LD велике снаге. Кристал Yb: S-FAP може се користити као ласерски материјал за ласерску нуклеарну фузију у будућности, што је привукло пажњу људи. У подесивим ласерским кристалима налази се хром, итербијум, холмијум, итријум, алуминијум и галијум гранат (Cr, Yb, Ho: YAGG) са таласним дужинама у распону од 2,84 до 3,05 μ. Континуирано подесиво између m. Према статистици, већина инфрацрвених бојевих глава које се користе у ракетама широм света користи 3-5 μ. Стога, развој Cr, Yb, Ho:YSGG ласера ​​може да обезбеди ефикасно ометање за контрамере вођеног оружја у средњем инфрацрвеном подручју и има важан војни значај. Кина је постигла низ иновативних резултата са међународно напредним нивоом у области ласерских кристала допираних итербијумом (Yb:YAG, Yb:FAP, Yb:SFAP, итд.), решавајући кључне технологије као што су раст кристала и брзи, импулсни, континуирани и подесиви ласерски излаз. Резултати истраживања су примењени у националној одбрани, индустрији и научном инжењерству, а производи од кристала допираних итербијумом су извезени у више земаља и региона као што су Сједињене Америчке Државе и Јапан.

Још једна важна категорија материјала за итербијумске ласере је ласерско стакло. Развијена су различита ласерска стакла са високим попречним пресеком емисије, укључујући германијум телурит, силицијум ниобат, борат и фосфат. Због лакоће обликовања стакла, може се правити у великим димензијама и има карактеристике као што су висока пропустљивост светлости и висока уједначеност, што омогућава производњу ласера ​​велике снаге. Познато ласерско стакло од ретких земаља се углавном користило...неодимијумстакло, које има историју развоја дугу преко 40 година и зрелу технологију производње и примене. Одувек је био преферирани материјал за ласерске уређаје велике снаге и коришћен је у експерименталним уређајима за нуклеарну фузију и ласерском оружју. Ласерски уређаји велике снаге произведени у Кини, који се састоје од ласеранеодимијумСтакло као главни ласерски медијум достигло је светски напредни ниво. Али ласерско неодимијумско стакло сада се суочава са снажним изазовом од стране ласерског итербијумског стакла.

Последњих година, велики број студија је показао да многа својства ласерског итербијумског стакла превазилазе она код...неодимијумстакло. Због чињенице да луминесценција допирана итербијумом има само два енергетска нивоа, ефикасност складиштења енергије је висока. Са истим појачањем, итербијумско стакло има ефикасност складиштења енергије 16 пута већу од неодимијумског стакла и век трајања флуоресценције 3 пута већи од неодимијумског стакла. Такође има предности као што су висока концентрација допирања, пропусни опсег апсорпције и може се директно пумпати полупроводницима, што га чини веома погодним за ласере велике снаге. Међутим, практична примена итербијумског ласерског стакла често се ослања на помоћ неодимијума, као што је коришћење Nd3+ као сензибилизатора да би итербијумско ласерско стакло радило на собној температури, а емисија μ ласера ​​се постиже на таласној дужини m. Дакле, итербијум и неодимијум су и конкуренти и партнери у сарадњи у области ласерског стакла.

Подешавањем састава стакла могу се побољшати многа луминесцентна својства итербијумског ласерског стакла. Са развојем снажних ласера ​​као главног правца, ласери направљени од итербијумског ласерског стакла се све више користе у савременој индустрији, пољопривреди, медицини, научним истраживањима и војним применама.

Војна употреба: Коришћење енергије генерисане нуклеарном фузијом као енергије одувек је био очекивани циљ, а постизање контролисане нуклеарне фузије биће важно средство за човечанство да реши енергетске проблеме. Ласерско стакло допирано итербијумом постаје преферирани материјал за постизање надоградње инерцијалне фузије (ICF) у 21. веку због својих одличних ласерских перформанси.

Ласерско оружје користи огромну енергију ласерског зрака за ударање и уништавање циљева, генеришући температуре од милијарде степени Целзијуса и директно нападајући брзином светлости. Може се назвати Надана и има велику смртоносност, посебно је погодно за модерне системе противваздушне одбране у ратовању. Одличне перформансе ласерског стакла допираног итербијумом учиниле су га важним основним материјалом за производњу ласерског оружја велике снаге и високих перформанси.

Фибер ласер је брзо развијајућа нова технологија и такође припада области примене ласерског стакла. Фибер ласер је ласер који користи влакно као ласерски медијум, што је производ комбинације технологије влакана и ласера. То је нова ласерска технологија развијена на бази технологије појачавача влакана допираног ербијумом (EDFA). Фибер ласер се састоји од полупроводничке ласерске диоде као извора пумпе, оптичког таласовода и медијума за појачање, и оптичких компоненти као што су решеткаста влакна и спојнице. Не захтева механичко подешавање оптичке путање, а механизам је компактан и лако се интегрише. У поређењу са традиционалним чврстим ласерима и полупроводничким ласерима, има технолошке и перформансне предности као што су висок квалитет снопа, добра стабилност, јака отпорност на сметње из околине, нема подешавања, нема одржавања и компактна структура. Због чињенице да су допирани јони углавном Nd+3, Yb+3, Er+3, Tm+3, Ho+3, који сви користе влакна ретких земаља као медиј за појачање, фибер ласер који је развила компанија може се назвати и ласером од влакана ретких земаља.

Примена ласера: Снажни двоструко обложени влакнасти ласер допирани итербијумом постао је међународно врућа област у технологији чврстих ласера ​​последњих година. Има предности доброг квалитета снопа, компактне структуре и високе ефикасности конверзије, и има широке могућности примене у индустријској преради и другим областима. Двоструко обложена влакна допирана итербијумом су погодна за пумпање полупроводничким ласером, са високом ефикасношћу спрезања и високом излазном снагом ласера, и представљају главни правац развоја влакана допираних итербијумом. Кинеска технологија двоструко обложених влакана допираних итербијумом више није на нивоу напредног нивоа страних земаља. Влакна допирана итербијумом, двоструко обложена влакна допирана итербијумом и влакна ко-допирана ербијумом и итербијумом развијена у Кини достигла су напредни ниво сличних страних производа у погледу перформанси и поузданости, имају предности у трошковима и имају основне патентиране технологије за више производа и метода.

Светски позната немачка компанија за IPG ласере недавно је објавила да њихов новолансирани систем влакнастих ласера ​​допираних итербијумом има одличне карактеристике снопа, век трајања пумпе преко 50.000 сати, централну таласну дужину емисије од 1070nm-1080nm и излазну снагу до 20kW. Примењује се у фином заваривању, сечењу и бушењу стена.

Ласерски материјали су језгро и темељ за развој ласерске технологије. У ласерској индустрији увек је постојала изрека да је „једна генерација материјала једна генерација уређаја“. Да би се развили напредни и практични ласерски уређаји, неопходно је прво поседовати високоперформансне ласерске материјале и интегрисати друге релевантне технологије. Ласерски кристали и ласерско стакло допирани итербијумом, као нова снага чврстих ласерских материјала, промовишу иновативни развој оптичке комуникације и ласерске технологије, посебно у најсавременијим ласерским технологијама као што су ласери за нуклеарну фузију велике снаге, ласери са плочицама високе енергије и ласери за оружје велике енергије.

Поред тога, итербијум се користи и као активатор флуоресцентног праха, радио керамика, адитиви за меморијске компоненте електронских рачунара (магнетни мехурићи) и адитиви за оптичко стакло. Треба истаћи да су итријум и итријум реткоземни елементи. Иако постоје значајне разлике у енглеским називима и симболима елемената, кинеска фонетска абецеда има исте слогове. У неким кинеским преводима, итријум се понекад погрешно назива итријумом. У овом случају, потребно је да пратимо оригинални текст и комбинујемо симболе елемената да бисмо потврдили.