Магический редкоземельный элемент: иттербий

Иттербий: атомный номер 70, атомный вес 173,04, название элемента произошло от места его открытия. Содержание иттербия в земной коре составляет 0,000266%, в основном присутствует в фосфоритах и ​​месторождениях черного редкого золота. Содержание в монаците составляет 0,03%, и существует 7 природных изотопов

Обнаруженный

Автор: Маринак

Время: 1878 г.

Местоположение: Швейцария

В 1878 году швейцарские химики Жан Шарль и Г Мариньяк открыли новый редкоземельный элемент «эрбий». В 1907 году Ульбан и Вайльс указали, что Мариньяк разделил смесь оксида лютеция и оксида иттербия. В память о небольшой деревне Итербю недалеко от Стокгольма, где была обнаружена иттриевая руда, этот новый элемент был назван Иттербием с символом Yb.

Электронная конфигурация

Электронная конфигурация
1с2 2с2 2п6 3с2 3п6 4с2 3д10 4п6 5с2 4д10 5п6 6с2 4ф14

Металл

Металлический иттербий серебристо-серый, пластичный, имеет мягкую текстуру. При комнатной температуре иттербий может медленно окисляться воздухом и водой.

Существует две кристаллические структуры: α- Тип представляет собой гранецентрированную кубическую кристаллическую систему (комнатная температура -798 ℃); β- Тип представляет собой объемноцентрированную кубическую (выше 798 ℃) решетку. Температура плавления 824 ℃, температура кипения 1427 ℃, относительная плотность 6,977 (α- Тип), 6,54 (β- Тип).

Нерастворим в холодной воде, растворим в кислотах и ​​жидком аммиаке. Довольно стабилен на воздухе. Подобно самарию и европию, иттербий относится к редкоземельным элементам переменной валентности, а также может находиться в положительном двухвалентном состоянии в дополнение к обычно трехвалентному.

Из-за этой переменной валентности, получение металлического иттербия не должно осуществляться электролизом, а методом восстановительной дистилляции для получения и очистки. Обычно, металлический лантан используется в качестве восстановителя для восстановительной дистилляции, используя разницу между высоким давлением паров металлического иттербия и низким давлением паров металлического лантана. В качестве альтернативы,тулий, иттербий, илютецийконцентраты могут быть использованы в качестве сырья, аметалл лантанможет использоваться в качестве восстановителя. В условиях вакуума высокой температуры >1100 ℃ и <0,133 Па металлический иттербий может быть непосредственно извлечен путем восстановительной дистилляции. Подобно самарию и европию, иттербий также может быть отделен и очищен путем мокрого восстановления. Обычно в качестве сырья используются концентраты тулия, иттербия и лютеция. После растворения иттербий восстанавливается до двухвалентного состояния, что приводит к значительным различиям в свойствах, а затем отделяется от других трехвалентных редкоземельных элементов. Производство высокочистыхоксид иттербияобычно проводится методом экстракционной хроматографии или ионообмена.

Приложение

Используется для изготовления специальных сплавов. Сплавы иттербия применяются в стоматологии для металлургических и химических экспериментов.

В последние годы иттербий появился и быстро развился в областях волоконно-оптической связи и лазерной техники.

С созданием и развитием «информационной магистрали» компьютерные сети и системы передачи оптоволокна на большие расстояния предъявляют все более высокие требования к характеристикам оптоволоконных материалов, используемых в оптической связи. Ионы иттербия, благодаря своим превосходным спектральным свойствам, могут использоваться в качестве материалов для усиления волокон для оптической связи, как и эрбий и тулий. Хотя редкоземельный элемент эрбий по-прежнему является основным игроком в изготовлении волоконных усилителей, традиционные кварцевые волокна, легированные эрбием, имеют небольшую ширину полосы усиления (30 нм), что затрудняет выполнение требований высокоскоростной и высокопроизводительной передачи информации. Ионы Yb3+ имеют гораздо большее поперечное сечение поглощения, чем ионы Er3+ около 980 нм. Благодаря эффекту сенсибилизации Yb3+ и передаче энергии эрбием и иттербием свет 1530 нм может быть значительно усилен, тем самым значительно повышая эффективность усиления света.

В последние годы исследователи все чаще отдают предпочтение фосфатному стеклу, легированному эрбием и иттербием. Фосфатные и фторфосфатные стекла обладают хорошей химической и термической стабильностью, а также широким инфракрасным пропусканием и большими неравномерными характеристиками уширения, что делает их идеальными материалами для широкополосного и высокоэффективных волоконных усилителей, легированных эрбием. Волоконные усилители, легированные Yb3+, могут достигать усиления мощности и усиления слабого сигнала, что делает их пригодными для таких областей, как волоконно-оптические датчики, лазерная связь в свободном пространстве и усиление сверхкоротких импульсов. В настоящее время Китай построил самую большую в мире одноканальную и самую высокоскоростную оптическую систему передачи данных и имеет самую широкую информационную магистраль в мире. Волоконные усилители, легированные иттербием и другими редкоземельными легированными материалами, и лазерные материалы играют в них решающую и значительную роль.

Спектральные характеристики иттербия также используются в качестве высококачественных лазерных материалов, как в качестве лазерных кристаллов, лазерных стекол и волоконных лазеров. Как лазерный материал высокой мощности, лазерные кристаллы, легированные иттербием, образовали огромную серию, включая иттрий-алюминиевый гранат, легированный иттербием (Yb: YAG), гадолиний-галлиевый гранат, легированный иттербием (Yb: GGG), фторофосфат кальция, легированный иттербием (Yb: FAP), фторофосфат стронция, легированный иттербием (Yb: S-FAP), ванадат иттрия, легированный иттербием (Yb: YV04), борат и силикат, легированный иттербием. Полупроводниковый лазер (LD) является новым типом источника накачки для твердотельных лазеров. Yb: YAG имеет много характеристик, подходящих для накачки LD высокой мощности, и стал лазерным материалом для накачки LD высокой мощности. Кристалл Yb: S-FAP может быть использован в качестве лазерного материала для лазерного ядерного синтеза в будущем, что привлекло внимание людей. В перестраиваемых лазерных кристаллах есть хром-иттербий-гольмий-иттрий-алюминий-галлиевый гранат (Cr, Yb, Ho: YAGG) с длиной волны от 2,84 до 3,05 мкм. Плавно регулируется между м. Согласно статистике, большинство инфракрасных боеголовок, используемых в ракетах по всему миру, используют 3-5 мкм. Поэтому разработка лазеров Cr, Yb, Ho: YSGG может обеспечить эффективное вмешательство для противодействия управляемому оружию в среднем инфракрасном диапазоне и имеет важное военное значение. Китай достиг ряда инновационных результатов с международным передовым уровнем в области лазерных кристаллов, легированных иттербием (Yb: YAG, Yb: FAP, Yb: SFAP и т. д.), решая такие ключевые технологии, как рост кристаллов и лазер с быстрым, импульсным, непрерывным и регулируемым выходом. Результаты исследований нашли применение в национальной обороне, промышленности и научном проектировании, а изделия из легированных иттербием кристаллов экспортируются во многие страны и регионы, такие как США и Япония.

Другой важной категорией материалов для иттербиевого лазера является лазерное стекло. Были разработаны различные лазерные стекла с высоким поперечным сечением излучения, включая теллурит германия, ниобат кремния, борат и фосфат. Благодаря простоте формования стекла, его можно изготавливать в больших размерах, и оно обладает такими характеристиками, как высокая светопропускаемость и высокая однородность, что позволяет производить мощные лазеры. Знакомое редкоземельное лазерное стекло раньше было в основном неодимовым стеклом, которое имеет более чем 40-летнюю историю разработки и зрелую технологию производства и применения. Оно всегда было предпочтительным материалом для мощных лазерных устройств и использовалось в экспериментальных устройствах ядерного синтеза и лазерном оружии. Мощные лазерные устройства, созданные в Китае, состоящие из лазерного неодимового стекла в качестве основной лазерной среды, достигли передового мирового уровня. Но лазерное неодимовое стекло теперь сталкивается с мощным вызовом со стороны лазерного иттербиевого стекла.

В последние годы большое количество исследований показало, что многие свойства лазерного иттербиевого стекла превосходят свойства неодимового стекла. В связи с тем, что люминесценция, легированная иттербием, имеет только два энергетических уровня, эффективность накопления энергии высока. При том же усилении иттербиевое стекло имеет эффективность накопления энергии в 16 раз выше, чем неодимовое стекло, и время жизни флуоресценции в 3 раза больше, чем у неодимового стекла. Оно также имеет такие преимущества, как высокая концентрация легирования, ширина полосы поглощения и может напрямую накачиваться полупроводниками, что делает его очень подходящим для мощных лазеров. Однако практическое применение иттербиевого лазерного стекла часто зависит от помощи неодима, например, использование Nd3+ в качестве сенсибилизатора для того, чтобы иттербиевое лазерное стекло работало при комнатной температуре, а излучение μ-лазера достигалось на длине волны m. Таким образом, иттербий и неодим являются как конкурентами, так и партнерами по сотрудничеству в области лазерного стекла.

Регулируя состав стекла, можно улучшить многие люминесцентные свойства иттербиевого лазерного стекла. С развитием мощных лазеров в качестве основного направления, лазеры из иттербиевого лазерного стекла все шире используются в современной промышленности, сельском хозяйстве, медицине, научных исследованиях и военных приложениях.

Военное применение: Использование энергии, вырабатываемой при ядерном синтезе, в качестве энергии всегда было ожидаемой целью, и достижение управляемого ядерного синтеза станет важным средством для человечества в решении энергетических проблем. Лазерное стекло, легированное иттербием, становится предпочтительным материалом для достижения модернизации инерциального удержания (ICF) в 21 веке благодаря его превосходным лазерным характеристикам.

Лазерное оружие использует огромную энергию лазерного луча для поражения и уничтожения целей, создавая температуру в миллиарды градусов по Цельсию и напрямую атакуя со скоростью света. Их можно назвать Надана, и они обладают большой летальностью, особенно подходят для современных систем ПВО в военных действиях. Превосходные характеристики лазерного стекла, легированного иттербием, сделали его важным базовым материалом для производства мощного и высокопроизводительного лазерного оружия.

Волоконный лазер — это быстро развивающаяся новая технология, которая также относится к области применения лазерного стекла. Волоконный лазер — это лазер, который использует волокно в качестве лазерной среды, что является продуктом сочетания волоконной и лазерной технологий. Это новая лазерная технология, разработанная на основе технологии усилителя на основе легированного эрбием волокна (EDFA). Волоконный лазер состоит из полупроводникового лазерного диода в качестве источника накачки, волоконно-оптического волновода и усиливающей среды, а также оптических компонентов, таких как решетчатые волокна и ответвители. Он не требует механической регулировки оптического пути, а механизм компактен и прост в интеграции. По сравнению с традиционными твердотельными лазерами и полупроводниковыми лазерами он имеет технологические и эксплуатационные преимущества, такие как высокое качество луча, хорошая стабильность, высокая устойчивость к помехам окружающей среды, отсутствие регулировки, отсутствие обслуживания и компактная структура. В связи с тем, что легированные ионы в основном представляют собой Nd+3, Yb+3, Er+3, Tm+3, Ho+3, все из которых используют редкоземельные волокна в качестве усиливающей среды, разработанный компанией волоконный лазер можно также назвать редкоземельным волоконным лазером.

Применение лазера: Высокомощный иттербиевый легированный волоконный лазер с двойной оболочкой стал горячей областью в твердотельной лазерной технологии на международном уровне в последние годы. Он имеет преимущества хорошего качества луча, компактной структуры и высокой эффективности преобразования, а также имеет широкие перспективы применения в промышленной обработке и других областях. Двойные иттербиевые легированные волокна подходят для накачки полупроводниковых лазеров с высокой эффективностью связи и высокой выходной мощностью лазера и являются основным направлением развития иттербиевых легированных волокон. Китайская технология иттербиевых легированных волокон с двойной оболочкой больше не соответствует передовому уровню зарубежных стран. Легированное иттербием волокно, иттербиевое легированное волокно с двойной оболочкой и эрбий-иттербиевое легированное волокно, разработанные в Китае, достигли передового уровня аналогичной зарубежной продукции с точки зрения производительности и надежности, имеют ценовые преимущества и имеют основные запатентованные технологии для множества продуктов и методов.

Всемирно известная немецкая лазерная компания IPG недавно объявила, что их недавно выпущенная система лазера на основе иттербиевого волокна имеет превосходные характеристики луча, срок службы накачки более 50000 часов, центральную длину волны излучения 1070 нм-1080 нм и выходную мощность до 20 кВт. Она применяется при тонкой сварке, резке и бурении горных пород.

Лазерные материалы являются ядром и основой для развития лазерных технологий. В лазерной промышленности всегда существовала поговорка: «одно поколение материалов — одно поколение устройств». Для разработки современных и практичных лазерных устройств необходимо сначала обладать высокопроизводительными лазерными материалами и интегрировать другие соответствующие технологии. Иттербиевые легированные лазерные кристаллы и лазерное стекло, как новая сила твердых лазерных материалов, способствуют инновационному развитию волоконно-оптической связи и лазерных технологий, особенно в передовых лазерных технологиях, таких как высокомощные термоядерные лазеры, высокоэнергетические ударные плиточные лазеры и высокоэнергетические оружейные лазеры.

Кроме того, иттербий также используется в качестве активатора флуоресцентного порошка, радиокерамики, добавок для электронных компонентов памяти компьютеров (магнитных пузырьков) и добавок к оптическому стеклу. Следует отметить, что иттрий и иттрий являются редкоземельными элементами. Хотя существуют значительные различия в английских названиях и символах элементов, китайский фонетический алфавит имеет те же слоги. В некоторых китайских переводах иттрий иногда ошибочно называют yttrium. В этом случае нам нужно проследить исходный текст и объединить символы элементов для подтверждения.