عنصر خاکی کمیاب جادویی: ایتربیوم

ایتربیوم: عدد اتمی 70، وزن اتمی 173.04، نام عنصر برگرفته از محل کشف آن. محتوای ایتربیوم در پوسته 0.000266 درصد است که عمدتاً در ذخایر فسفریت و طلای کمیاب سیاه وجود دارد. محتوای موجود در مونازیت 0.03٪ است و 7 ایزوتوپ طبیعی وجود دارد

کشف شد

نویسنده: مارینک

زمان: 1878

مکان: سوئیس

در سال 1878، شیمیدانان سوئیسی ژان چارلز و جی ماریگناک یک عنصر خاکی کمیاب جدید را در "اربیوم" کشف کردند. در سال 1907، اولبان و ویلز اشاره کردند که Marignac مخلوطی از اکسید لوتسیم و اکسید ایتربیوم را جدا کرد. به یاد روستای کوچکی به نام Yteerby در نزدیکی استکهلم، جایی که سنگ ایتریم در آن کشف شد، این عنصر جدید ایتربیوم با نماد Yb نامگذاری شد.

پیکربندی الکترون

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

فلز

ایتربیوم فلزی خاکستری نقره ای، انعطاف پذیر و دارای بافت نرم است. در دمای اتاق، ایتربیوم می تواند به آرامی توسط هوا و آب اکسید شود.

دو ساختار کریستالی وجود دارد: α- نوع یک سیستم کریستالی مکعبی در مرکز صورت است (دمای اتاق -798 ℃). β- نوع شبکه مکعبی (بالای 798 ℃) در مرکز بدن است. نقطه ذوب 824 ℃، نقطه جوش 1427 ℃، چگالی نسبی 6.977 (آ-نوع)، 6.54 ( β- نوع).

نامحلول در آب سرد، محلول در اسیدها و آمونیاک مایع. در هوا کاملاً پایدار است. مانند ساماریوم و یوروپیوم، ایتربیوم به خاک کمیاب با ظرفیت متغیر تعلق دارد و علاوه بر اینکه معمولاً سه ظرفیتی است، می تواند در حالت دو ظرفیتی مثبت نیز باشد.

با توجه به این مشخصه ظرفیت متغیر، تهیه ایتربیوم فلزی نباید با الکترولیز انجام شود، بلکه باید با روش تقطیر احیا برای تهیه و خالص سازی انجام شود. معمولاً از فلز لانتانیوم به عنوان یک عامل کاهنده برای تقطیر احیا استفاده می شود و از تفاوت فشار بخار بالای فلز ایتربیوم و فشار بخار کم فلز لانتانیم استفاده می شود. متناوبا،تولیوم، ایتربیوم، ولوتتیومکنسانتره ها می توانند به عنوان مواد اولیه استفاده شوند ولانتانیم فلزیمی تواند به عنوان یک عامل کاهش دهنده استفاده شود. تحت شرایط خلاء دمای بالا از 1100 ℃ و <0.133Pa، فلز ایتربیوم را می توان مستقیماً با تقطیر احیا استخراج کرد. مانند ساماریوم و یوروپیوم، ایتربیوم نیز می تواند از طریق احیای مرطوب جدا و خالص شود. معمولا از کنسانتره های تولیوم، ایتربیوم و لوتسیم به عنوان مواد اولیه استفاده می شود. پس از انحلال، ایتربیوم به حالت دو ظرفیتی کاهش می یابد و باعث تفاوت های قابل توجهی در خواص می شود و سپس از دیگر خاک های کمیاب سه ظرفیتی جدا می شود. تولید با خلوص بالااکسید ایتربیوممعمولاً با روش کروماتوگرافی استخراج یا تبادل یونی انجام می شود.

برنامه

برای تولید آلیاژهای خاص استفاده می شود. آلیاژهای ایتربیوم در پزشکی دندانپزشکی برای آزمایشات متالورژی و شیمیایی استفاده شده است.

در سال‌های اخیر، ایتربیوم در زمینه‌های ارتباطات فیبر نوری و فناوری لیزر ظهور کرده و به سرعت توسعه یافته است.

با ساخت و توسعه «بزرگراه اطلاعات»، شبکه‌های رایانه‌ای و سیستم‌های انتقال فیبر نوری در مسافت‌های طولانی نیازمندی‌های فزاینده‌ای برای عملکرد مواد فیبر نوری مورد استفاده در ارتباطات نوری هستند. یون های ایتربیوم به دلیل خواص طیفی عالی خود می توانند به عنوان مواد تقویت کننده فیبر برای ارتباطات نوری مانند اربیوم و تولیوم استفاده شوند. اگرچه عنصر خاکی کمیاب اربیوم هنوز بازیگر اصلی در تهیه تقویت‌کننده‌های فیبر است، الیاف کوارتز دوپ شده با اربیوم سنتی دارای پهنای باند کوچک (30 نانومتر) هستند که برآوردن الزامات انتقال اطلاعات با سرعت و ظرفیت بالا را دشوار می‌کند. یون‌های Yb3+ سطح مقطع جذب بسیار بیشتری نسبت به یون‌های Er3+ در حدود 980 نانومتر دارند. از طریق اثر حساس‌سازی Yb3+ و انتقال انرژی اربیوم و ایتربیوم، نور 1530 نانومتری را می‌توان تا حد زیادی افزایش داد و در نتیجه راندمان تقویت نور را تا حد زیادی بهبود بخشید.

در سال های اخیر، شیشه فسفات دوپ شده با اربیوم ایتربیوم به طور فزاینده ای مورد توجه محققان قرار گرفته است. شیشه‌های فسفات و فلوروفسفات پایداری شیمیایی و حرارتی خوبی دارند، همچنین دارای قابلیت عبور مادون قرمز گسترده و ویژگی‌های بزرگ شدن غیریکنواخت بزرگ هستند، که آنها را به مواد ایده‌آل برای شیشه‌های فیبر تقویت‌کننده با باند پهن و با بهره بالای اربیوم تبدیل می‌کند. تقویت‌کننده‌های فیبر دوپ شده Yb3 می‌توانند به تقویت توان و تقویت سیگنال کوچک دست یابند، که آنها را برای زمینه‌هایی مانند سنسورهای فیبر نوری، ارتباطات لیزری فضای آزاد و تقویت پالس بسیار کوتاه مناسب می‌سازد. چین در حال حاضر بزرگترین ظرفیت تک کاناله و سریع ترین سیستم انتقال نوری جهان را ساخته است و دارای وسیع ترین بزرگراه اطلاعاتی در جهان است. تقویت کننده های فیبر دوپ شده با ایتربیوم و سایر تقویت کننده های فیبر خاکی کمیاب و مواد لیزری نقش اساسی و مهمی در آنها ایفا می کنند.

ویژگی های طیفی ایتربیوم به عنوان مواد لیزری با کیفیت بالا، هم به عنوان کریستال لیزر، هم به عنوان شیشه لیزری و هم لیزر فیبر استفاده می شود. به عنوان یک ماده لیزری با قدرت بالا، کریستال های لیزر دوپ شده ایتربیوم مجموعه عظیمی از جمله گارنت آلومینیوم ایتربیوم دوپ شده با ایتربیوم (Yb: YAG)، گارنت گادولینیوم گالیوم دوپ شده ایتربیوم (Yb: GGG)، ایتربیوم دوپ شده کلسیم: APY fluor را تشکیل داده اند. ، ایتربیوم دوپ شده است استرانسیم فلوروفسفات (Yb: S-FAP)، ایتربیوم وانادات ایتربیوم دوپ شده (Yb: YV04)، بورات دوپ شده ایتربیوم، و سیلیکات. لیزر نیمه هادی (LD) نوع جدیدی از منبع پمپ برای لیزرهای حالت جامد است. Yb: YAG دارای ویژگی های زیادی است که برای پمپاژ LD با قدرت بالا مناسب است و به یک ماده لیزری برای پمپاژ LD با قدرت بالا تبدیل شده است. Yb: کریستال S-FAP ممکن است در آینده به عنوان ماده لیزری برای همجوشی هسته ای لیزری استفاده شود که توجه مردم را به خود جلب کرده است. در کریستال های لیزری قابل تنظیم، کروم ایتربیوم هولمیوم ایتریوم آلومینیوم گالیوم گارنت (Cr, Yb, Ho: YAGG) با طول موج های 2.84 تا 3.05 μ وجود دارد که به طور مداوم بین متر قابل تنظیم است. طبق آمار، اکثر کلاهک های مادون قرمز مورد استفاده در موشک های سراسر جهان از 3-5 μ استفاده می کنند، بنابراین، توسعه لیزرهای Cr، Yb، Ho: YSGG می تواند تداخل موثری برای اقدامات متقابل سلاح های هدایت مادون قرمز میانی ایجاد کند و اهمیت نظامی مهمی دارد. چین به یک سری نتایج نوآورانه با سطح پیشرفته بین المللی در زمینه کریستال های لیزر دوپ شده ایتربیوم (Yb: YAG، Yb: FAP، Yb: SFAP، و غیره)، حل فناوری های کلیدی مانند رشد کریستال و لیزر سریع، پالس، دست یافته است. خروجی پیوسته و قابل تنظیم نتایج تحقیقات در دفاع ملی، صنعت و مهندسی علمی به کار گرفته شده است و محصولات کریستال دوپ شده ایتربیوم به کشورها و مناطق متعددی مانند ایالات متحده و ژاپن صادر شده است.

دسته اصلی دیگر از مواد لیزر ایتربیوم شیشه لیزر است. شیشه‌های لیزری با سطح مقطع بالا از جمله تلوریت ژرمانیوم، نیوبات سیلیکون، بورات و فسفات ساخته شده‌اند. به دلیل سهولت در قالب گیری شیشه می توان آن را در اندازه های بزرگ درآورد و دارای ویژگی هایی مانند عبور نور بالا و یکنواختی بالاست که امکان تولید لیزرهای پرقدرت را فراهم می کند. شیشه لیزری آشنای خاکی کمیاب عمدتاً شیشه نئودیمیم بود که سابقه توسعه بیش از 40 سال و تکنولوژی تولید و کاربرد بالغ دارد. این ماده همیشه ماده ترجیحی برای دستگاه های لیزری پرقدرت بوده است و در دستگاه های آزمایشی همجوشی هسته ای و سلاح های لیزری استفاده شده است. دستگاه های لیزر پرقدرت ساخته شده در چین، متشکل از شیشه نئودیمیوم لیزری به عنوان رسانه اصلی لیزر، به سطح پیشرفته جهانی رسیده است. اما شیشه نئودیمیوم لیزری اکنون با چالش قدرتمندی از شیشه ایتربیوم لیزری مواجه است.

در سال های اخیر، تعداد زیادی از مطالعات نشان داده اند که بسیاری از خواص شیشه ایتربیوم لیزری از شیشه نئودیمیم بیشتر است. با توجه به این واقعیت که لومینسانس دوپ شده با ایتربیوم تنها دو سطح انرژی دارد، راندمان ذخیره انرژی بالا است. با همان بهره، شیشه ایتربیوم دارای راندمان ذخیره انرژی 16 برابر بیشتر از شیشه نئودیمیم است و طول عمر فلورسانس آن 3 برابر شیشه نئودیمیم است. همچنین دارای مزایایی مانند غلظت دوپینگ بالا، پهنای باند جذب و قابل پمپاژ مستقیم توسط نیمه هادی ها است که آن را برای لیزرهای پرقدرت بسیار مناسب می کند. با این حال، کاربرد عملی شیشه لیزر ایتربیوم اغلب به کمک نئودیمیم متکی است، مانند استفاده از Nd3+ به عنوان یک حساس کننده برای عملکرد شیشه لیزر ایتربیوم در دمای اتاق و انتشار لیزر μ در طول موج m حاصل می شود. بنابراین، ایتربیوم و نئودیمیم هر دو رقیب و شرکای مشترک در زمینه شیشه لیزر هستند.

با تنظیم ترکیب شیشه، بسیاری از خواص درخشندگی شیشه لیزر ایتربیوم را می توان بهبود بخشید. با توسعه لیزرهای پرقدرت به عنوان جهت اصلی، لیزرهای ساخته شده از شیشه لیزر ایتربیوم به طور فزاینده ای در صنایع مدرن، کشاورزی، پزشکی، تحقیقات علمی و کاربردهای نظامی استفاده می شود.

استفاده نظامی: استفاده از انرژی تولید شده توسط گداخت هسته ای به عنوان انرژی همیشه یک هدف مورد انتظار بوده است و دستیابی به همجوشی هسته ای کنترل شده ابزار مهمی برای بشریت برای حل مشکلات انرژی خواهد بود. شیشه لیزری دوپ شده ایتربیوم به دلیل عملکرد عالی لیزری که دارد به ماده ترجیحی برای دستیابی به ارتقاء همجوشی محصور کننده اینرسی (ICF) در قرن بیست و یکم تبدیل شده است.

سلاح‌های لیزری از انرژی عظیم پرتو لیزر برای ضربه زدن و نابودی اهداف استفاده می‌کنند و دمای میلیاردها درجه سانتی‌گراد تولید می‌کنند و مستقیماً با سرعت نور حمله می‌کنند. آنها را می توان با نام نادانا نام برد و دارای کشندگی فوق العاده ای است، مخصوصاً برای سیستم های تسلیحات دفاع هوایی مدرن در جنگ مناسب است. عملکرد عالی شیشه لیزر دوپ شده ایتربیوم، آن را به یک ماده اساسی مهم برای ساخت سلاح های لیزری با قدرت و کارایی بالا تبدیل کرده است.

لیزر فیبر یک فناوری جدید به سرعت در حال توسعه است و همچنین به حوزه کاربردهای شیشه لیزری تعلق دارد. لیزر فیبر لیزری است که از فیبر به عنوان محیط لیزر استفاده می کند که محصول ترکیب فناوری فیبر و لیزر است. این یک فناوری لیزری جدید است که بر اساس فناوری تقویت کننده فیبر دوپ شده اربیوم (EDFA) توسعه یافته است. لیزر فیبر از یک دیود لیزر نیمه رسانا به عنوان منبع پمپ، یک موجبر فیبر نوری و یک محیط افزایش و اجزای نوری مانند فیبرهای گریتینگ و جفت کننده ها تشکیل شده است. این نیازی به تنظیم مکانیکی مسیر نوری ندارد و مکانیسم فشرده و آسان است. در مقایسه با لیزرهای حالت جامد و لیزرهای نیمه هادی سنتی، دارای مزایای فنی و عملکردی مانند کیفیت پرتو بالا، پایداری خوب، مقاومت قوی در برابر تداخل محیطی، بدون تنظیم، بدون تعمیر و نگهداری و ساختار فشرده است. با توجه به اینکه یون های دوپ شده عمدتاً Nd+3، Yb+3، Er+3، Tm+3، Ho+3 هستند که همگی از الیاف خاکی کمیاب به عنوان رسانه افزایش استفاده می کنند، لیزر فیبر توسعه یافته توسط این شرکت نیز می تواند لیزر فیبر خاکی کمیاب نامیده می شود.

کاربرد لیزر: لیزر فیبر دوپوش دوپه شده با ایتربیوم با قدرت بالا در سال های اخیر به یک میدان داغ در فناوری لیزر حالت جامد در سطح بین المللی تبدیل شده است. این دارای مزایای کیفیت پرتو خوب، ساختار فشرده و راندمان تبدیل بالا است و چشم انداز کاربرد گسترده ای در پردازش صنعتی و سایر زمینه ها دارد. الیاف دوپینگ ایتربیوم با روکش دوگانه برای پمپاژ لیزر نیمه هادی، با راندمان کوپلینگ بالا و توان خروجی لیزر بالا مناسب هستند و جهت اصلی توسعه الیاف دوپ شده ایتربیوم هستند. فناوری الیاف دوپه شده با ایتربیوم چینی دیگر با سطح پیشرفته کشورهای خارجی برابری نمی کند. فیبر دوپ شده ایتربیوم، فیبر دوپه شده ایتربیوم دولایه، و الیاف دوپ شده اربیوم ایتربیوم توسعه یافته در چین از نظر عملکرد و قابلیت اطمینان به سطح پیشرفته محصولات مشابه خارجی رسیده اند، دارای مزایای هزینه هستند و دارای فناوری های ثبت شده اصلی برای محصولات و روش های متعدد هستند. .

شرکت لیزر آلمانی مشهور IPG اخیراً اعلام کرد که سیستم لیزر فیبر دوپینگ ایتربیوم تازه راه اندازی شده آنها دارای ویژگی های پرتوی عالی، عمر پمپ بیش از 50000 ساعت، طول موج انتشار مرکزی 1070 نانومتر تا 1080 نانومتر و توان خروجی تا 20 کیلووات است. این در جوشکاری ریز، برش و حفاری سنگ استفاده شده است.

مواد لیزری هسته و پایه توسعه فناوری لیزر هستند. همیشه در صنعت لیزر این ضرب المثل وجود دارد که می گوید "یک نسل از مواد، یک نسل از دستگاه". برای توسعه دستگاه‌های لیزری پیشرفته و کاربردی، ابتدا باید مواد لیزری با کارایی بالا را در اختیار داشته باشیم و سایر فناوری‌های مربوطه را ادغام کنیم. کریستال های لیزر دوپ شده ایتربیوم و شیشه لیزر، به عنوان نیروی جدید مواد لیزر جامد، توسعه نوآورانه ارتباطات فیبر نوری و فناوری لیزر را، به ویژه در فناوری های لیزری پیشرفته مانند لیزرهای همجوشی هسته ای با قدرت بالا، ضربان پر انرژی، ترویج می کنند. لیزرهای کاشی و لیزرهای سلاح با انرژی بالا.

علاوه بر این، ایتربیوم همچنین به عنوان یک فعال کننده پودر فلورسنت، سرامیک های رادیویی، مواد افزودنی برای اجزای حافظه کامپیوتر الکترونیکی (حباب های مغناطیسی) و افزودنی های شیشه نوری استفاده می شود. لازم به ذکر است که ایتریوم و ایتریوم هر دو از عناصر خاکی کمیاب هستند. اگرچه تفاوت های قابل توجهی در نام های انگلیسی و نمادهای عناصر وجود دارد، الفبای آوایی چینی دارای هجاهای یکسانی است. در برخی از ترجمه های چینی، گاهی اوقات به اشتباه ایتریوم به عنوان ایتریوم یاد می شود. در این مورد، باید متن اصلی را ردیابی کنیم و نمادهای عنصر را برای تأیید ترکیب کنیم.