Магический редкоземельный элемент: иттербий

Иттербий: атомный номер 70, атомный вес 173,04, имя элемента происходит от места его обнаружения. Содержание иттербия в корке 0,000266%, в основном он присутствует в месторождениях фосфоритов и черного редкого золота. Содержание в монаците 0,03%, природных изотопов 7.

Обнаруженный

Автор: Маринак

Время: 1878 год.

Местоположение: Швейцария

В 1878 году швейцарские химики Жан Шарль и Г. Мариньяк открыли новый редкоземельный элемент – эрбий. В 1907 году Ульбан и Вейльс указали, что Мариньяк выделил смесь оксидов лютеция и оксидов иттербия. В память о маленькой деревне Итеербю недалеко от Стокгольма, где была обнаружена иттриевая руда, этот новый элемент был назван Иттербий с символом Yb.

Электронная конфигурация

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

Металл

Металлический иттербий серебристо-серого цвета, пластичный и 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 (тип α), 6,54 (тип β).

Нерастворим в холодной воде, растворим в кислотах и ​​жидком аммиаке. В воздухе он достаточно устойчив. Подобно самарию и европию, иттербий относится к редкоземельным элементам с переменной валентностью и может также находиться в положительном двухвалентном состоянии в дополнение к обычному трехвалентному состоянию.

Из-за этой переменной валентной характеристики получение металлического иттербия следует проводить не электролизом, а методом восстановительной перегонки для получения и очистки. Обычно металлический лантан используется в качестве восстановителя при восстановительной перегонке, используя разницу между высоким давлением пара металлического иттербия и низким давлением пара металлического лантана. Альтернативно,тулий, иттербий, илютецийконцентраты могут использоваться в качестве сырья, аметаллический лантанможет использоваться в качестве восстановителя. В условиях высокотемпературного вакуума >1100 ℃ и <0,133Па металлический иттербий можно напрямую извлечь путем восстановительной перегонки. Как самарий и европий, иттербий также можно отделить и очистить путем мокрого восстановления. Обычно в качестве сырья используют тулиевый, иттербиевый и лютециевый концентраты. После растворения иттербий восстанавливается до двухвалентного состояния, что приводит к значительным различиям в свойствах, а затем отделяется от других трехвалентных редких земель. Производство высокочистыхоксид иттербияобычно осуществляют экстракционной хроматографией или методом ионного обмена.

Приложение

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

В последние годы иттербий появился и быстро развивался в области волоконно-оптической связи и лазерных технологий.

По мере строительства и развития «информационной магистрали» к компьютерным сетям и системам оптоволоконной передачи на большие расстояния предъявляются все более высокие требования к характеристикам волоконно-оптических материалов, используемых в оптической связи. Ионы иттербия благодаря своим превосходным спектральным свойствам могут использоваться в качестве материалов для усиления волокон оптической связи, так же, как эрбий и тулий. Хотя редкоземельный элемент эрбий по-прежнему является основным игроком при изготовлении волоконных усилителей, традиционные кварцевые волокна, легированные эрбием, имеют небольшую полосу усиления (30 нм), что затрудняет удовлетворение требований высокоскоростной передачи информации с высокой пропускной способностью. Ионы Yb3+ имеют гораздо большее сечение поглощения, чем ионы Er3+, около 980 нм. Благодаря сенсибилизирующему эффекту Yb3+ и передаче энергии эрбия и иттербия можно значительно усилить свет с длиной волны 1530 нм, тем самым значительно улучшив эффективность усиления света.

В последние годы исследователи все чаще отдают предпочтение фосфатному стеклу, легированному эрбием-иттербием. Фосфатные и фторфосфатные стекла обладают хорошей химической и термической стабильностью, а также широким коэффициентом пропускания инфракрасного излучения и большими характеристиками неравномерного уширения, что делает их идеальными материалами для широкополосного усилительного стекловолокна с высоким коэффициентом усиления, легированного эрбием. Волоконные усилители, легированные Yb3+, могут обеспечить усиление мощности и усиление слабого сигнала, что делает их подходящими для таких областей, как волоконно-оптические датчики, лазерная связь в свободном пространстве и усиление сверхкоротких импульсов. В настоящее время в Китае создана крупнейшая в мире одноканальная и самая скоростная оптическая система передачи данных, а также самая широкая информационная магистраль в мире. Волоконные усилители и лазерные материалы, легированные иттербием и другими редкоземельными элементами, играют в них решающую и значительную роль.

Спектральные характеристики иттербия также используются в качестве высококачественных лазерных материалов: лазерных кристаллов, лазерных стекол и волоконных лазеров. В качестве мощного лазерного материала легированные иттербием лазерные кристаллы образовали огромную серию, в том числе иттрий-алюминиевый гранат, легированный иттербием (Yb: YAG), гадолиний-галлиевый гранат, легированный иттербием (Yb: GGG), фторфосфат кальция, легированный иттербием (Yb: FAP). , фторфосфат стронция, легированный иттербием (Yb: S-FAP), ванадат иттрия, легированный иттербием (Yb: YV04), борат, легированный иттербием, и силикат. Полупроводниковый лазер (ЛД) — новый тип источника накачки твердотельных лазеров. Yb: YAG обладает многими характеристиками, подходящими для мощной накачки ЛД, и стал лазерным материалом для мощной накачки ЛД. Yb: Кристалл S-FAP может быть использован в качестве лазерного материала для лазерного ядерного синтеза в будущем, что привлекло внимание людей. В перестраиваемых лазерных кристаллах присутствует хром-иттербий-гольмий-иттрий-алюминиево-галлиевый гранат (Cr, Yb, Ho: YAGG) с длинами волн в диапазоне от 2,84 до 3,05 мкм. Плавно регулируется в диапазоне м. По статистике, большинство инфракрасных боеголовок, используемых в ракетах по всему миру, используют 3-5 мкм. Поэтому разработка лазеров Cr, Yb, Ho:YSGG может обеспечить эффективные помехи для средств противодействия наведению оружия среднего инфракрасного диапазона и имеет важное военное значение. Китай добился ряда инновационных результатов международного передового уровня в области лазерных кристаллов, легированных иттербием (Yb: YAG, Yb: FAP, Yb: SFAP и т. д.), решая ключевые технологии, такие как выращивание кристаллов и быстрый лазер, импульсный, непрерывная и регулируемая мощность. Результаты исследований были применены в национальной обороне, промышленности и научной технике, а кристаллические изделия, легированные иттербием, экспортировались во многие страны и регионы, такие как США и Япония.

Еще одной важной категорией иттербиевых лазерных материалов 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, оно может быть изготовлено в больших размерах и обладает такими характеристиками, как высокий коэффициент пропускания света и высокая однородность, что позволяет производить мощные лазеры. Знакомое редкоземельное лазерное стекло раньше представляло собой в основном неодимовое стекло, история разработки которого насчитывает более 40 лет, а также развитые технологии производства и применения. Он всегда был предпочтительным материалом для мощных лазерных устройств и использовался в экспериментальных устройствах ядерного синтеза и лазерном оружии. Мощные лазерные устройства, построенные в Китае, состоящие из лазерного неодимового стекла в качестве основной лазерной среды, достигли мирового уровня. Но теперь лазерное неодимовое стекло сталкивается с серьезной проблемой со стороны лазерного иттербиевого стекла.

В последние годы большое количество исследований показало, что многие свойства лазерного иттербиевого стекла превосходят свойства неодимового стекла. Поскольку люминесценция, легированная иттербием, имеет только два энергетических уровня, эффективность накопления энергии высока. При том же коэффициенте усиления иттербиевое стекло имеет эффективность накопления энергии в 16 раз выше, чем неодимовое стекло, а время жизни флуоресценции в 3 раза больше, чем у неодимового стекла. Он также имеет такие преимущества, как высокая концентрация легирования, ширина полосы поглощения и возможность прямой накачки полупроводниками, что делает его очень подходящим для мощных лазеров. Однако практическое применение иттербиевого лазерного стекла часто зависит от помощи неодима, например, при использовании Nd3+ в качестве сенсибилизатора, позволяющего иттербиевому лазерному стеклу работать при комнатной температуре, а излучение мю-лазера достигается на длине волны м. Итак, иттербий и неодим являются одновременно конкурентами и партнерами 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 находят все более широкое применение в современной промышленности, сельском хозяйстве, медицине, научных исследованиях и военном применении.

Использование в военных целях. Использование энергии, вырабатываемой в результате ядерного синтеза, в качестве энергии всегда было ожидаемой целью, а достижение управляемого ядерного синтеза станет для человечества важным средством решения энергетических проблем. Лазерное стекло, легированное иттербием, становится предпочтительным материалом для достижения модернизации инерционного термоядерного синтеза (ICF) в 21 веке из-за его превосходных лазерных характеристик.

Лазерное оружие использует огромную энергию лазерного луча для поражения и уничтожения целей, создавая температуру в миллиарды градусов Цельсия и атакуя напрямую со скоростью света. Их можно назвать «Надана», они обладают высокой смертоносностью и особенно подходят для современных систем противовоздушной обороны во время войны. Отличные 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, в котором в качестве лазерной среды используется волокно, которое является продуктом сочетания волоконной и лазерной технологий. Это новая лазерная технология, разработанная на основе технологии усилителей из волокон, легированных эрбием (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 соединители. Он не требует механической регулировки оптического пути, механизм компактен и легко интегрируется. По сравнению с традиционными твердотельными лазерами и полупроводниковыми лазерами он обладает технологическими и эксплуатационными преимуществами, такими как высокое качество луча, хорошая стабильность, высокая устойчивость к воздействиям окружающей среды, отсутствие необходимости регулировки и обслуживания и компактная конструкция. В связи с тем, что легированные ионы представляют собой в основном Nd+3, Yb+3, Er+3, Tm+3, Ho+3, все из которых используют редкоземельные волокна в качестве усиливающей среды, волоконный лазер, разработанный компанией, также может можно назвать редкоземельным волоконным лазером.

Применение лазера: Мощный волоконный лазер с двойной оболочкой, легированный иттербием, в последние годы стал горячей областью в области твердотельных лазерных технологий во всем мире. Он обладает такими преимуществами, как хорошее качество луча, компактная структура и высокая эффективность преобразования, а также имеет широкие перспективы применения в промышленной обработке и других областях. Волокна с двойной оболочкой, легированные иттербием, подходят для полупроводниковой лазерной накачки, обладают высокой эффективностью связи и высокой выходной мощностью лазера и являются основным направлением развития волокон, легированных иттербием. Китайская технология волокон с двойной оболочкой, легированной иттербием, больше не соответствует передовому уровню зарубежных стран. Волокно, легированное иттербием, волокно, легированное иттербием с двойной оболочкой, и волокно, легированное эрбием-иттербием, разработанные в Китае, достигли передового уровня аналогичных зарубежных продуктов 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 волоконная лазерная система, легированная иттербием, имеет превосходные характеристики луча, срок службы накачки более 50 000 часов, центральную длину волны излучения 1070–1080 нм и выходную мощность до 20 кВт. Его применяют при тонкой сварке, резке и бурении горных пород.

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

Кроме того, иттербий также используется в качестве флуоресцентного порошкового активатора, радиокерамики, добавок для компонентов памяти электронных компьютеров (магнитных пузырьков) и добавок для оптического стекла. Следует отметить, что иттрий и иттрий являются редкоземельными элементами. Хотя в английских названиях и символах элементов существуют значительные различия, в китайском фонетическом алфавите одни и те же слоги. В некоторых китайских переводах иттрий иногда ошибочно называют иттрием. В этом случае нам нужно проследить исходный текст и объединить символы элементов для подтверждения.