Magisk sjælden jordelement: ytterbium

Ytterbium: atomnummer 70, atomvægt 173.04, elementnavn afledt af dets opdagelsessted. Indholdet af ytterbium i skorpen er 0,000266%, hovedsageligt til stede i phosphorit og sorte sjældne guldaflejringer. Indholdet i monazit er 0,03%, og der er 7 naturlige isotoper

Opdaget

Af: Marinak

Tid: 1878

Placering: Schweiz

I 1878 opdagede schweiziske kemikere Jean Charles og G Marignac et nyt sjældent jordelement i “Erbium”. I 1907 påpegede Ulban og Weils, at Marignac adskilte en blanding af lutetiumoxid og ytterbiumoxid. Til minde om den lille landsby ved navn Yteerby nær Stockholm, hvor yttriummalm blev opdaget, blev dette nye element navngivet Ytterbium med symbolet YB.

Elektronkonfiguration

Elektronkonfiguration
1S2 2S2 2P6 3S2 3P6 4S2 3D10 4P6 5S2 4D10 5P6 6S2 4F14

Metal

Metallisk ytterbium er sølvgrå, duktil og har en blød struktur. Ved stuetemperatur kan ytterbium langsomt oxideres med luft og vand.

Der er to krystalstrukturer: α- Typen er et ansigtscentreret kubisk krystalsystem (stuetemperatur -798 ℃); ß- Typen er en kropscentreret kubisk (over 798 ℃) gitter. Smeltepunkt 824 ℃, kogepunkt 1427 ℃, relativ densitet 6,977 （a- type), 6,54 （ß-type).

Uopløselig i koldt vand, opløseligt i syrer og flydende ammoniak. Det er ret stabilt i luften. I lighed med Samarium og Europium hører Ytterbium til den sjældne jord på den variable valens og kan også være i en positiv divalent tilstand ud over at være normalt trivalent.

På grund af denne variable valensegenskab, bør fremstillingen af ​​metallisk ytterbium ikke udføres ved elektrolyse, men ved reduktionsdestillationsmetode til fremstilling og oprensning. Normalt bruges lanthanummetal som et reduktionsmiddel til reduktionsdestillation ved anvendelse af forskellen mellem det høje damptryk af ytterbiummetal og det lave damptryk af lanthanum metal. Alternativt,thulium, ytterbiumogLutetiumkoncentrater kan bruges som råvarer ogMetal lanthanumkan bruges som et reduktionsmiddel. Under vakuumbetingelser med høj temperatur på> 1100 ℃ og <0,133PA kan metal ytterbium ekstraheres direkte ved reduktionsdestillation. Ligesom Samarium og Europium kan ytterbium også adskilles og oprenses gennem våd reduktion. Normalt anvendes thulium, ytterbium og lutetiumkoncentrater som råmaterialer. Efter opløsning reduceres Ytterbium til en divalent tilstand, der forårsager betydelige forskelle i egenskaber og adskilles derefter fra andre trivalente sjældne jordarter. Produktion af høj renhedytterbiumoxidudføres normalt ved ekstraktionskromatografi eller ionudvekslingsmetode。

Anvendelse

Bruges til fremstilling af specielle legeringer. Ytterbium -legeringer er blevet anvendt i tandmedicin til metallurgiske og kemiske eksperimenter.

I de senere år er Ytterbium dukket op og hurtigt udviklet inden for fiberoptisk kommunikation og laserteknologi.

Med konstruktion og udvikling af "informationshighway" har computernetværk og langdistance-optiske fiberoverførselssystemer stadig større krav til ydelse af optiske fibermaterialer, der bruges i optisk kommunikation. Ytterbium -ioner kan på grund af deres fremragende spektrale egenskaber bruges som fiberforstærkningsmaterialer til optisk kommunikation, ligesom Erbium og Thulium. Selvom Erbium-elementet Erbium stadig er den vigtigste spiller i fremstillingen af ​​fiberforstærkere, har traditionelle Erbium-dopede kvartsfibre en lille forstærkningsbåndbredde (30NM), hvilket gør det vanskeligt at imødekomme kravene i højhastigheds- og højkapacitetsinformation transmission. YB3+-ioner har et meget større absorptionstværsnit end ER3+-ioner omkring 980Nm. Gennem sensibiliseringseffekten af ​​YB3+og energioverførslen af ​​Erbium og Ytterbium kan lyset 1530nm forbedres i høj grad, hvilket forbedrer lysets amplificeringseffektivitet.

I de senere år er Erbium Ytterbium Co -dopet phosphatglas i stigende grad blevet foretrukket af forskere. Fosfat- og fluorophosphatglas har gode kemiske og termiske stabilitet, såvel som bred infrarød transmission og store ikke-ensartede udvidelsesegenskaber, hvilket gør dem til ideelle materialer til bredbånd og højforstærkede erbiumdopet amplifikationsfiberglas. YB3+doterede fiberforstærkere kan opnå effektforstærkning og lille signalforstærkning, hvilket gør dem velegnede til felter som fiberoptiske sensorer, frit rumlaserkommunikation og ultra kort pulsforstærkning. Kina har i øjeblikket opbygget verdens største enkeltkanalkapacitet og den hurtigste hastighed optiske transmissionssystem og har den bredeste informations motorvej i verden. Ytterbium dopet og andre sjældne jorddopede fiberforstærkere og lasermaterialer spiller en afgørende og betydelig rolle i dem.

De spektrale egenskaber ved ytterbium bruges også som lasermaterialer af høj kvalitet, både som laserkrystaller, laserbriller og fiberlasere. As a high-power laser material, ytterbium doped laser crystals have formed a huge series, including ytterbium doped yttrium aluminum garnet (Yb: YAG), ytterbium doped gadolinium gallium garnet (Yb: GGG), ytterbium doped calcium fluorophosphate (Yb: FAP), ytterbium doped Strontiumfluorophosphat (YB: S-FAP), ytterbium dopet yttrium vanadat (YB: YV04), ytterbium dopet borat og silikat. Semiconductor Laser (LD) er en ny type pumpekilde til lasere af fast tilstand. YB: YAG har mange egenskaber, der er egnede til højeffekt LD-pumpning og er blevet et lasermateriale til højeffekt LD-pumpning. YB: S-FAP-krystal kan bruges som lasermateriale til laser-nuklear fusion i fremtiden, som har tiltrukket folks opmærksomhed. I indstillelige laserkrystaller er der krom ytterbium holmium yttrium aluminium gallium granat (CR, YB, HO: yagg) med bølgelængder i området fra 2,84 til 3,05 μ kontinuerlig justerbar mellem m. I henhold til statistikker bruger de fleste af de infrarøde krigshoveder, der bruges i missiler over hele verden, 3-5 μ, udviklingen af ​​CR, YB, HO: YSGG-lasere kan give effektiv interferens for midterste infrarøde guidede våben modforanstaltninger og har vigtig militær betydning. Kina har opnået en række innovative resultater med internationalt avanceret niveau inden for Ytterbium -dopede laserkrystaller (YB: YAG, YB: FAP, YB: SFAP osv.), Løsning af nøgleteknologier såsom krystalvækst og laserhurtig, puls, kontinuerlig og justerbar udgang. Forskningsresultaterne er blevet anvendt i nationalt forsvar, industri og videnskabelig teknik, og Ytterbium -dopede krystalprodukter er blevet eksporteret til flere lande og regioner som USA og Japan.

En anden vigtig kategori af ytterbium -lasermaterialer er laserglas. Forskellige laserglas med høj emission er udviklet, herunder germanium tellurit, silicium niobat, borat og fosfat. På grund af lethed med glasstøbning kan det gøres til store størrelser og har egenskaber såsom transmission af højt lys og høj ensartethed, hvilket gør det muligt at producere lasere med høj effekt. Det velkendte sjældne jordlaserglas var hovedsageligt Neodymium Glass, som har en udviklingshistorie på over 40 år og moden produktions- og applikationsteknologi. Det har altid været det foretrukne materiale til laserenheder med høj effekt og er blevet brugt i nukleare fusionseksperimentelle enheder og laservåben. De højeffekt laserenheder, der er bygget i Kina, bestående af laserneodymlas som det vigtigste lasermedium, har nået verdens avancerede niveau. Men Laser Neodymium -glas står nu over for en stærk udfordring fra laser ytterbiumglas.

I de senere år har et stort antal undersøgelser vist, at mange egenskaber ved laser ytterbiumglas overstiger neodymlas. På grund af det faktum, at ytterbium -dopet luminescens kun har to energiniveauer, er energilagringseffektiviteten høj. Ved den samme gevinst har Ytterbiumglas en energilagringseffektivitet 16 gange højere end neodymiumglas og en fluorescenslevetid 3 gange den for neodymlas. Det har også fordele såsom høj dopingkoncentration, absorptionsbåndbredde og kan pumpes direkte af halvledere, hvilket gør det meget velegnet til lasere med høj effekt. Imidlertid er den praktiske anvendelse af ytterbium -laserglas ofte afhængig af hjælp fra neodym, såsom anvendelse af ND3+som en sensibilisator til at gøre ytterbium -laserglas til at fungere ved stuetemperatur og μ -laseremission opnås ved M -bølgelængde. Så Ytterbium og Neodymium er begge konkurrenter og samarbejdspartnere inden for laserglas.

Ved at justere glaskompositionen kan mange selvlysende egenskaber af ytterbium laserglas forbedres. Med udviklingen af ​​højeffektlasere som hovedretning bruges lasere lavet af ytterbium laserglas i stigende grad i moderne industri, landbrug, medicin, videnskabelig forskning og militære applikationer.

Militær brug: Brug af energien genereret af nuklear fusion som energi har altid været et forventet mål, og at opnå kontrolleret nuklear fusion vil være et vigtigt middel for menneskeheden at løse energiproblemer. Ytterbium -dopet laserglas er ved at blive det foretrukne materiale til opnåelse af inertial indeslutningsfusion (ICF) -opgraderinger i det 21. århundrede på grund af dets fremragende laserydelse.

Laservåben bruger den enorme energi fra en laserstråle til at strejke og ødelægge mål, hvilket genererer temperaturer i milliarder af grader celsius og angriber direkte med lysets hastighed. De kan omtales som Nadana og har stor dødelighed, især velegnet til moderne luftforsvarsvåbensystemer i krigføring. Den fremragende ydelse af ytterbium-dopet laserglas har gjort det til et vigtigt basismateriale til fremstilling af højeffekt og højtydende laservåben.

Fiber Laser er en hurtigt udviklende ny teknologi og hører også til området med laserglasapplikationer. Fiberlaser er en laser, der bruger fiber som lasermedium, som er et produkt af kombinationen af ​​fiber- og laserteknologi. Det er en ny laserteknologi udviklet på basis af Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) -teknologi. En fiberlaser er sammensat af en halvlederlaserdiode som pumpekilde, en fiberoptisk bølgeleder og et forstærkemedium og optiske komponenter såsom gitterfibre og koblinger. Det kræver ikke mekanisk justering af den optiske sti, og mekanismen er kompakt og let at integrere. Sammenlignet med traditionelle lasere i fast tilstand og halvlederlasere har det teknologiske og ydeevne fordele såsom højstrålekvalitet, god stabilitet, stærk modstand mod miljøinterferens, ingen justering, ingen vedligeholdelse og kompakt struktur. På grund af det faktum, at de dopede ioner hovedsageligt er ND+3, YB+3, ER+3, TM+3, HO+3, som alle bruger sjældne jordfibre som forstærkningsmedier, kan fiberlaseren udviklet af virksomheden også kaldes en sjælden jordfiberlaser.

Laserapplikation: High Power Ytterbium Doped Double Clad Fiber Laser er blevet et varmt felt i faststof-laserteknologi internationalt i de senere år. Det har fordelene ved god strålekvalitet, kompakt struktur og høj konverteringseffektivitet og har brede anvendelsesudsigter inden for industriel behandling og andre felter. Dobbeltklædte ytterbiumdopede fibre er velegnede til halvlederlaserpumpning, med høj koblingseffektivitet og høj laserudgangseffekt og er den vigtigste udviklingsretning for Ytterbium -dopede fibre. Kinas dobbeltklædte ytterbium -dopede fiberteknologi er ikke længere på niveau med det avancerede niveau i fremmede lande. Ytterbium -doteret fiber, dobbeltklædt ytterbium -dopet fiber og Erbium ytterbium co -doteret fiber udviklet i Kina har nået det avancerede niveau af lignende udenlandske produkter med hensyn til ydeevne og pålidelighed, har omkostningsfordele og har kernepatenterede teknologier for flere produkter og metoder.

Det verdenskendte tyske IPG-laserfirma annoncerede for nylig, at deres nyligt lancerede Ytterbium-dopede fiberlasersystem har fremragende bjælkeegenskaber, en pumpe-levetid på over 50000 timer, en central emissionsbølgelængde på 1070NM-1080NM og en udgangseffekt på op til 20 kW. Det er blevet anvendt i fin svejsning, skæring og klippeboring.

Lasermaterialer er kernen og fundamentet for udvikling af laserteknologi. Der har altid været et ordsprog i laserindustrien om, at 'en generation af materialer, en generation af enheder'. For at udvikle avancerede og praktiske laserenheder er det nødvendigt først at have højtydende lasermaterialer og integrere andre relevante teknologier. Ytterbium dopede laserkrystaller og laserglas, som den nye kraft af faste lasermaterialer, fremmer den innovative udvikling af fiberoptisk kommunikation og laserteknologi, især i banebrydende laserteknologier, såsom højeffekt nukleare fusionslasere, højenergi-beat-fliselasere og højenergi-våbenlasere.

Derudover bruges Ytterbium også som en fluorescerende pulveraktivator, radiokeramik, tilsætningsstoffer til elektroniske computerhukommelseskomponenter (magnetiske bobler) og optiske glasadditiver. Det skal påpeges, at yttrium og yttrium begge er sjældne jordelementer. Selvom der er betydelige forskelle i engelske navne og elementsymboler, har det kinesiske fonetiske alfabet de samme stavelser. I nogle kinesiske oversættelser omtales Yttrium undertiden fejlagtigt som yttrium. I dette tilfælde er vi nødt til at spore den originale tekst og kombinere elementsymboler for at bekræfte.