אלמנט אדמה נדיר קסום: איטרביום

איטרביום: מספר אטומי 70, משקל אטומי 173.04, שם היסוד נגזר ממיקום הגילוי שלו. התוכן שלאיטרביוםבקרום הוא 0.000266%, קיים בעיקר במרבצי פוספוריט וזהב נדיר שחור, בעוד התכולה במונאזיט היא 0.03%, עם 7 איזוטופים טבעיים.

גילוי היסטוריה

התגלה על ידי: מרינאק

זמן: 1878

מיקום: שוויץ 

בשנת 1878, הכימאים השוויצרים ז'אן שארל ו-G Marignac גילו יסוד אדמה נדיר חדש ב"ארביום". בשנת 1907, אולבן ווילס הצביעו על כך שמריניאק הפריד בין תערובת של תחמוצת לוטטיום ותחמוצת איטרביום. לזכר הכפר הקטן בשם Yteerby ליד שטוקהולם, שבו התגלתה עפרת איטריום, היסוד החדש הזה נקרא איטרביום עם הסמל Yb.

תצורת אלקטרונים

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

מַתֶכֶת

איטרביום מתכתיהוא אפור כסוף, רקיע, ובעל מרקם רך. בטמפרטורת החדר, איטרביום יכול להתחמצן באיטיות על ידי אוויר ומים.

ישנם שני מבני גביש: α- הסוג הוא מערכת גבישים מעוקבת במרכז פנים (טמפרטורת החדר -798 ℃); β- הסוג הוא סריג מעוקב (מעל 798 ℃) במרכז הגוף. נקודת התכה 824 ℃, נקודת רתיחה 1427 ℃, צפיפות יחסית 6.977（ α- סוג), 6.54（ β- סוג).

לא מסיס במים קרים, מסיס בחומצות ואמוניה נוזלית. זה די יציב באוויר. בדומה לסמריום ולארופיום, איטרביום שייך לאדמה נדירה ערכית משתנה, ויכול להיות גם במצב דו ערכי חיובי בנוסף להיותו בדרך כלל תלת ערכי.

בשל מאפיין ערכיות משתנה זה, הכנת איטרביום מתכתי לא צריכה להתבצע על ידי אלקטרוליזה, אלא על ידי שיטת זיקוק הפחתה לצורך הכנה וטיהור. בְּדֶרֶך כְּלַל,מתכת לנטנוםמשמש כחומר מפחית לזיקוק הפחתה, תוך ניצול ההפרש בין לחץ האדים הגבוה של מתכת איטרביום ללחץ האדים הנמוך של מתכת לנטנום. לְחִלוּפִין,טוליום, איטרביום, ולוטטיוםניתן להשתמש בתרכיזים כחומרי גלם, ולנטנום מתכתי יכול לשמש כחומר מפחית. בתנאי ואקום בטמפרטורה גבוהה של>1100 ℃ ו<0.133Pa, ניתן להפיק איטרביום מתכת ישירות על ידי זיקוק הפחתה. כְּמוֹסמאריוםואירופיום,איטרביום ניתן גם להפריד ולטהר באמצעות הפחתת רטוב. בדרך כלל, תרכיזי thulium, ytterbium ו-lutetium משמשים כחומרי גלם. לאחר הפירוק, האיטרביום מופחת למצב דו ערכי, מה שגורם להבדלים משמעותיים בתכונות, ולאחר מכן מופרד משאר כדורי הארץ נדירים תלת ערכיים. ייצור תחמוצת איטרביום בטוהר גבוה מתבצע בדרך כלל על ידי כרומטוגרפיה מיצוי או שיטת החלפת יונים

בַּקָשָׁה

משמש לייצור סגסוגות מיוחדות.סגסוגות איטרביוםיושמו ברפואת שיניים עבור ניסויים מתכתיים וכימיים.

בשנים האחרונות, איטרביום צץ והתפתח במהירות בתחומי תקשורת סיבים אופטיים וטכנולוגיית לייזר.

עם הבנייה והפיתוח של "כביש המידע", לרשתות מחשבים ולמערכות שידור סיבים אופטיים למרחקים ארוכים יש דרישות גבוהות יותר ויותר לביצועים של חומרי סיבים אופטיים המשמשים בתקשורת אופטית. יוני איטרביום, בשל תכונותיהם הספקטרליות המעולות, יכולים לשמש כחומרי הגברה של סיבים לתקשורת אופטית, בדיוק כמוארביוםוטוליום. למרות שאלמנט הארביום של אדמה נדירה הוא עדיין השחקן העיקרי בהכנת מגברי סיבים, לסיבי קוורץ מסורתיים מסוממים בארביום יש רוחב פס רווח קטן (30 ננומטר), מה שמקשה לעמוד בדרישות של העברת מידע במהירות גבוהה וביכולת גבוהה. ליוני Yb3+ יש חתך ספיגה גדול בהרבה מאשר ליוני Er3 בסביבות 980 ננומטר. באמצעות אפקט הרגישות של Yb3+ והעברת האנרגיה של ארביום ואיטרביום, ניתן לשפר מאוד את האור של 1530nm, ובכך לשפר מאוד את יעילות ההגברה של האור.

בשנים האחרונות, זכוכית פוספט מסוממת ארביום איטרביום זוכה יותר ויותר לחביבות החוקרים. לכוסות פוספט ופלואורפוספט יש יציבות כימית ותרמית טובה, כמו גם העברת אינפרא אדום רחבה ומאפייני הרחבה לא אחידים גדולים, מה שהופך אותם לחומרים אידיאליים עבור סיבי זכוכית הגברה בפס רחב ובעל רווח גבוה עם ארביום. מגברי סיבים מסוממים של Yb3+ יכולים להשיג הגברת הספק והגברת אותות קטנים, מה שהופך אותם למתאימים לתחומים כמו חיישני סיבים אופטיים, תקשורת לייזר בחלל פנוי והגברת פולסים קצרים במיוחד. סין בנתה כיום את קיבולת הערוץ הבודד הגדול בעולם ומערכת השידור האופטית המהירה ביותר, ויש לה את כביש המידע הרחב ביותר בעולם. מגברי סיבים וחומרי לייזר מסוממים איטרביום ושאר כדור הארץ נדיר ממלאים בהם תפקיד מכריע ומשמעותי.

המאפיינים הספקטרליים של איטרביום משמשים גם כחומרי לייזר איכותיים, הן כגבישי לייזר, משקפי לייזר והן כלייזרי סיבים. כחומר לייזר בעל הספק גבוה, גבישי לייזר מסוממים באיטרביום יצרו סדרה ענקית, כולל איטרביום מסומםאלומיניום איטריוםנופך (Yb: YAG), איטרביום מסומםגדוליניוםגליום נופך (Yb: GGG), סידן פלואורופוספט עם איטרביום (Yb: FAP), סטרונציום פלואורפוספט עם איטרביום (Yb: S-FAP), איטריום ונדאט מסומם איטרביום (Yb: YV04), בוראט מסומם איטרביום וסיליקט. לייזר מוליכים למחצה (LD) הוא סוג חדש של מקור משאבה עבור לייזרים במצב מוצק. Yb: ל-YAG מאפיינים רבים המתאימים לשאיבת LD בעוצמה גבוהה והפכה לחומר לייזר לשאיבת LD בעוצמה גבוהה. Yb: גביש S-FAP עשוי לשמש כחומר לייזר להיתוך גרעיני בלייזר בעתיד, מה שמשך את תשומת הלב של אנשים. בגבישי לייזר ניתנים לכוונון, קיים כרום איטרביום הולמיום איטריום אלומיניום גליום נופך (Cr, Yb, Ho: YAGG) עם אורכי גל הנעים בין 2.84 ל-3.05 μ מתכוונן ברציפות בין m. על פי הסטטיסטיקה, רוב ראשי הנפץ האינפרא אדום המשמשים בטילים ברחבי העולם משתמשים ב-3-5 μ לכן, פיתוח לייזרים Cr, Yb, Ho: YSGG יכול לספק הפרעה יעילה לאמצעי נגד מונחי נשק אינפרא אדום, ויש לו משמעות צבאית חשובה. סין השיגה סדרה של תוצאות חדשניות ברמה בינלאומית מתקדמת בתחום גבישי לייזר מסוממים באיטרביום (Yb: YAG, Yb: FAP, Yb: SFAP וכו'), בפתרון טכנולוגיות מפתח כגון צמיחת גבישים ולייזר מהיר, דופק, פלט רציף ומתכוונן. תוצאות המחקר יושמו בהגנה לאומית, בתעשייה ובהנדסה מדעית, ומוצרי קריסטל מסוממים באיטרביום יוצאו למספר מדינות ואזורים כמו ארצות הברית ויפן.

קטגוריה מרכזית נוספת של חומרי לייזר איטרביום היא זכוכית לייזר. פותחו משקפי לייזר שונים בחתך רוחב גבוה, כולל גרמניום טלוריט, סיליקון ניובאט, בוראט ופוספט. בשל הקלות של יציקת זכוכית, ניתן ליצור ממנה גדלים גדולים ובעל מאפיינים כמו העברת אור גבוהה ואחידות גבוהה, המאפשרים לייצר לייזרים בעוצמה גבוהה. זכוכית לייזר אדמה נדירה המוכרת הייתה בעבר בעיקרניאודימיוםזכוכית, בעלת היסטוריית פיתוח של למעלה מ-40 שנה וטכנולוגיית ייצור ויישום בוגרת. זה תמיד היה החומר המועדף עבור מכשירי לייזר בעלי הספק גבוה והוא שימש במכשירי ניסוי של היתוך גרעיני וכלי נשק לייזר. מכשירי הלייזר בעלי ההספק הגבוה שנבנו בסין, מורכבים מלייזרניאודימיוםזכוכית כמדיום הלייזר העיקרי, הגיעו לרמה המתקדמת בעולם. אבל זכוכית ניאודימיום לייזר עומדת כעת בפני אתגר רב עוצמה מזכוכית איטרביום לייזר.

בשנים האחרונות, מספר רב של מחקרים הראו כי תכונות רבות של זכוכית איטרביום לייזר עולות על אלו שלניאודימיוםזְכוּכִית. בשל העובדה שלהאיר המסומם באיטרביום יש רק שתי רמות אנרגיה, יעילות אגירת האנרגיה גבוהה. באותו רווח, לזכוכית איטרביום יש יעילות אחסון אנרגיה גבוהה פי 16 מזכוכית ניאודימיום, ואורך חיים פלואורסצנטי פי 3 מזו של זכוכית ניאודימיום. יש לו גם יתרונות כמו ריכוז סימום גבוה, רוחב פס ספיגה וניתן לשאוב אותו ישירות על ידי מוליכים למחצה, מה שהופך אותו למתאים מאוד ללייזרים בעלי הספק גבוה. עם זאת, היישום המעשי של זכוכית לייזר איטרביום מסתמך לעתים קרובות על סיוע של ניאודימיום, כגון שימוש ב-Nd3+ כחומר רגיש כדי לגרום לזכוכית לייזר איטרביום לפעול בטמפרטורת החדר ופליטת לייזר μ מושגת באורך גל של מטר. אז איטרביום וניאודימיום הם מתחרים ושותפים לשיתוף פעולה בתחום זכוכית הלייזר.

על ידי התאמת הרכב הזכוכית, ניתן לשפר תכונות זוהרות רבות של זכוכית לייזר איטרביום. עם פיתוח של לייזרים בעלי הספק גבוה ככיוון העיקרי, לייזרים העשויים מזכוכית לייזר איטרביום נמצאים בשימוש נרחב יותר בתעשייה המודרנית, בחקלאות, ברפואה, במחקר מדעי ויישומים צבאיים.

שימוש צבאי: שימוש באנרגיה שנוצרת מהיתוך גרעיני כאנרגיה תמיד היה יעד צפוי, והשגת היתוך גרעיני מבוקר תהיה אמצעי חשוב עבור האנושות לפתור בעיות אנרגיה. זכוכית לייזר עם סימום איטרביום הופכת לחומר המועדף להשגת שדרוגי היתוך אינרציאלי (ICF) במאה ה-21 בשל ביצועי הלייזר המצוינים שלה.

נשק לייזר משתמש באנרגיה העצומה של קרן לייזר כדי לפגוע ולהשמיד מטרות, לייצר טמפרטורות של מיליארדי מעלות צלזיוס ולתקוף ישירות במהירות האור. ניתן להתייחס אליהם בשם Nadana והם בעלי קטלניות רבה, מתאימים במיוחד למערכות נשק הגנה אוויריות מודרניות בלוחמה. הביצועים המצוינים של זכוכית לייזר עם סימום איטרביום הפכו אותה לחומר בסיסי חשוב לייצור כלי נשק לייזר בעלי הספק גבוה וביצועים גבוהים.

לייזר סיבים הוא טכנולוגיה חדשה המתפתחת במהירות ושייכת גם לתחום יישומי זכוכית הלייזר. לייזר סיבים הוא לייזר המשתמש בסיבים כמדיום הלייזר, שהוא תוצר של השילוב של סיבים וטכנולוגיית לייזר. זוהי טכנולוגיית לייזר חדשה שפותחה על בסיס טכנולוגיית מגבר סיבי ארביום (EDFA). לייזר סיב מורכב מדיודת לייזר מוליכים למחצה כמקור המשאבה, מוביל גל סיב אופטי וממדיום רווח, ורכיבים אופטיים כגון סיבים ומצמדים. הוא אינו דורש התאמה מכנית של הנתיב האופטי, והמנגנון קומפקטי וקל לשילוב. בהשוואה ללייזרים מסורתיים במצב מוצק וללייזרים מוליכים למחצה, יש לו יתרונות טכנולוגיים וביצועיים כגון איכות קרן גבוהה, יציבות טובה, עמידות חזקה בפני הפרעות סביבתיות, ללא התאמה, ללא תחזוקה ומבנה קומפקטי. בשל העובדה שהיונים המסוממים הם בעיקר Nd+3, Yb+3, Er+3, Tm+3, Ho+3, כולם משתמשים בסיבי אדמה נדירים כאמצעי רווח, לייזר הסיבים שפיתחה החברה יכול גם להיקרא לייזר סיבי אדמה נדיר.

יישום לייזר: לייזר סיבים כפולים בציפוי איטרביום בעל הספק גבוה הפך בשנים האחרונות לתחום חם בטכנולוגיית לייזר מוצק בעולם. יש לו את היתרונות של איכות קרן טובה, מבנה קומפקטי ויעילות המרה גבוהה, ויש לו סיכויי יישום רחבים בעיבוד תעשייתי ובתחומים אחרים. סיבים מסוממים איטרביום בחיפוי כפול מתאימים לשאיבת לייזר מוליכים למחצה, בעלי יעילות צימוד גבוהה והספק לייזר גבוה, והם כיוון הפיתוח העיקרי של סיבים מסוממים באיטרביום. טכנולוגיית הסיבים המסוממים איטרביום בחיפוי כפול של סין כבר לא משתווה לרמה המתקדמת של מדינות זרות. הסיבים המסוימים באיטרביום, הסיבים המסוימים באיטרביום בחיפוי כפול וסיב האיטרביום המשותף של ארביום שפותחו בסין הגיעו לרמה מתקדמת של מוצרים זרים דומים מבחינת ביצועים ואמינות, יש להם יתרונות עלות, ויש להם טכנולוגיות ליבה מוגנת בפטנט עבור מוצרים ושיטות מרובות. .

חברת הלייזר ה-IPG הגרמנית המפורסמת הודיעה לאחרונה כי מערכת הלייזר מסיב איטרביום שהושקה לאחרונה היא בעלת מאפייני קרן מצוינים, חיי משאבה של למעלה מ-50,000 שעות, אורך גל פליטה מרכזי של 1070nm-1080nm, והספק פלט של עד 20KW. זה יושם בריתוך עדין, חיתוך וקידוח סלע.

חומרי לייזר הם הליבה והבסיס לפיתוח טכנולוגיית הלייזר. תמיד הייתה פתגם בתעשיית הלייזר ש'דור אחד של חומרים, דור אחד של מכשירים'. כדי לפתח מכשירי לייזר מתקדמים ומעשיים, יש צורך קודם כל להחזיק בחומרי לייזר בעלי ביצועים גבוהים ולשלב טכנולוגיות רלוונטיות נוספות. גבישי לייזר מסוממים באמצעות איטרביום וזכוכית לייזר, ככוח החדש של חומרי לייזר מוצקים, מקדמים את הפיתוח החדשני של תקשורת סיבים אופטיים וטכנולוגיית לייזר, במיוחד בטכנולוגיות לייזר מתקדמות כגון לייזר היתוך גרעיני בעוצמה גבוהה, פעימות באנרגיה גבוהה לייזרים אריחים, ולייזרי נשק עתירי אנרגיה.

בנוסף, איטרביום משמש גם כמפעיל אבקת ניאון, קרמיקה רדיו, תוספים לרכיבי זיכרון מחשבים אלקטרוניים (בועות מגנטיות), ותוספי זכוכית אופטית. יש לציין כי איטריום ואיטריום הם שניהם יסודות אדמה נדירים. למרות שיש הבדלים משמעותיים בשמות באנגלית ובסמלים של אלמנטים, לאלפבית הפונטטי הסיני יש אותן הברות. בחלק מהתרגומים הסיניים, איטריום מכונה לפעמים בטעות איטריום. במקרה זה, עלינו להתחקות אחר הטקסט המקורי ולשלב סמלי אלמנטים כדי לאשר.