Կախարդական հազվագյուտ երկրի տարր՝ իտերբիում

Իտերբիումատոմային համարը՝ 70, ատոմային զանգվածը՝ 173.04, տարրի անվանումը՝ ստացված հայտնաբերման վայրից։ Իտերբիումի պարունակությունը երկրակեղևում կազմում է 0.000266%, հիմնականում առկա է ֆոսֆորիտի և սև հազվագյուտ ոսկու հանքավայրերում։ Մոնազիտում պարունակությունը կազմում է 0.03%, և կան 7 բնական իզոտոպներ։

Հայտնաբերված

Հեղինակ՝ Մարինակ

Ժամանակը՝ 1878

Գտնվելու վայրը՝ Շվեյցարիա

1878 թվականին շվեյցարացի քիմիկոսներ Ժան Շառլը և Գ. Մարինյակը հայտնաբերեցին նոր հազվագյուտ հողային տարր՝ «էրբիումը»։ 1907 թվականին Ուլբանը և Վեյլսը նշեցին, որ Մարինյակը անջատել է լյուտեցիումի օքսիդի և իտերբիումի օքսիդի խառնուրդ։ Ստոկհոլմի մոտ գտնվող Իտերբի անունով փոքրիկ գյուղի հիշատակին, որտեղ հայտնաբերվել է իտրիումի հանքաքար, այս նոր տարրը անվանվեց Իտերբիում՝ Yb խորհրդանիշով։

Էլեկտրոնային կոնֆիգուրացիա

Էլեկտրոնային կոնֆիգուրացիա
1վ2 2վ2 2փ6 3վ2 3փ6 4վ2 3դ10 4փ6 5վ2 4դ10 5փ6 6վ2 4ֆ14

Մետաղ

Մետաղական իտերբիումը արծաթա-մոխրագույն է, ճկուն և ունի փափուկ կառուցվածք։ Սենյակային ջերմաստիճանում իտերբիումը կարող է դանդաղորեն օքսիդացվել օդի և ջրի ազդեցությամբ։

Կան երկու բյուրեղային կառուցվածքներ՝ α-ն մակերեսային կենտրոնով խորանարդային բյուրեղային համակարգ է (սենյակային ջերմաստիճան -798 ℃), β-ն մարմինային կենտրոնով խորանարդային ցանց է (798 ℃-ից բարձր): Հալման կետ՝ 824 ℃, եռման կետ՝ 1427 ℃, հարաբերական խտություն՝ 6.977 (α-տեսակ), 6.54 (β-տեսակ):

Անլուծելի է սառը ջրում, լուծվում է թթուներում և հեղուկ ամոնիակում։ Այն բավականին կայուն է օդում։ Սամարիումի և եվրոպիումի նման, իտերբիումը պատկանում է փոփոխական վալենտային հազվագյուտ հողային միացություններին և, բացի սովորաբար եռավալենտ լինելուց, կարող է նաև գտնվել դրական երկվալենտ վիճակում։

Այս փոփոխական վալենտային բնութագրի պատճառով մետաղական իտերբիումի ստացումը չպետք է իրականացվի էլեկտրոլիզի միջոցով, այլ՝ վերականգնման թորման մեթոդով՝ պատրաստման և մաքրման համար: Սովորաբար, լանթան մետաղը օգտագործվում է որպես վերականգնող նյութ վերականգնման թորման համար՝ օգտագործելով իտերբիում մետաղի բարձր գոլորշու ճնշման և լանթան մետաղի ցածր գոլորշու ճնշման միջև եղած տարբերությունը: Այլընտրանքորեն,թուլիում, իտերբիում, ևլյուտեցիումկոնցենտրատները կարող են օգտագործվել որպես հումք, ևմետաղական լանթանկարող է օգտագործվել որպես վերականգնող նյութ։ Բարձր ջերմաստիճանի վակուումային պայմաններում՝ >1100 ℃ և <0.133Pa, մետաղական իտերբիումը կարող է անմիջապես արդյունահանվել վերականգնողական թորման միջոցով։ Ինչպես սամարիումը և եվրոպիումը, իտերբիումը նույնպես կարող է անջատվել և մաքրվել թաց վերականգնման միջոցով։ Սովորաբար, թուլիումի, իտերբիումի և լյուտեցիումի կոնցենտրատները օգտագործվում են որպես հումք։ Լուծարումից հետո իտերբիումը վերականգնվում է երկարժեք վիճակի, ինչը հանգեցնում է հատկությունների զգալի տարբերությունների, ապա անջատվում է այլ եռարժեք հազվագյուտ հողային միացություններից։ Բարձր մաքրությանիտերբիումի օքսիդսովորաբար իրականացվում է արդյունահանման քրոմատոգրաֆիայի կամ իոնափոխանակման մեթոդով։

Դիմում

Օգտագործվում է հատուկ համաձուլվածքների արտադրության համար: Իտերբիումի համաձուլվածքները կիրառվել են ատամնաբուժության մեջ՝ մետաղագործական և քիմիական փորձերի համար:

Վերջին տարիներին իտերբիումը ի հայտ է եկել և արագ զարգացել է օպտիկամանրաթելային կապի և լազերային տեխնոլոգիայի ոլորտներում։

«Տեղեկատվական մայրուղու» կառուցման և զարգացման հետ մեկտեղ, համակարգչային ցանցերը և երկար հեռավորության օպտիկական մանրաթելային փոխանցման համակարգերը ավելի ու ավելի բարձր պահանջներ ունեն օպտիկական կապի մեջ օգտագործվող օպտիկական մանրաթելային նյութերի աշխատանքի համար: Իտերբիումի իոնները, իրենց գերազանց սպեկտրալ հատկությունների շնորհիվ, կարող են օգտագործվել որպես մանրաթելային ուժեղացման նյութեր օպտիկական կապի համար, ինչպես էրբիումը և թուլիումը: Չնայած հազվագյուտ հողային տարր էրբիումը դեռևս հիմնական խաղացողն է մանրաթելային ուժեղացուցիչների պատրաստման գործում, ավանդական էրբիումով լեգիրված քվարցային մանրաթելերն ունեն փոքր ուժեղացման թողունակություն (30 նմ), ինչը դժվարացնում է բարձր արագությամբ և բարձր հզորությամբ տեղեկատվության փոխանցման պահանջները բավարարելը: Yb3+ իոններն ունեն շատ ավելի մեծ կլանման հատույթ, քան Er3+ իոնները՝ մոտ 980 նմ: Yb3+ ի զգայունացման ազդեցության և էրբիումի ու իտերբիումի էներգիայի փոխանցման միջոցով 1530 նմ լույսը կարող է զգալիորեն ուժեղացվել, դրանով իսկ զգալիորեն բարելավելով լույսի ուժեղացման արդյունավետությունը:

Վերջին տարիներին հետազոտողների կողմից ավելի ու ավելի է նախապատվությունը տրվում է էրբիում-իտերբիումի կո-լեգիրացված ֆոսֆատային ապակուն: Ֆոսֆատային և ֆտորֆոսֆատային ապակիները ունեն լավ քիմիական և ջերմային կայունություն, ինչպես նաև լայն ինֆրակարմիր թափանցելիություն և մեծ ոչ միատարր լայնացման բնութագրեր, ինչը դրանք դարձնում է իդեալական նյութեր լայնաշերտ և բարձր ուժգնությամբ էրբիում-լեգիրացված ուժեղացվող ապակեթելային ապակու համար: Yb3+ լեգիրված մանրաթելային ուժեղացուցիչները կարող են հասնել հզորության ուժեղացման և փոքր ազդանշանի ուժեղացման, ինչը դրանք հարմար է դարձնում այնպիսի ոլորտների համար, ինչպիսիք են օպտիկամանրաթելային սենսորները, ազատ տարածության լազերային կապը և գերկարճ իմպուլսային ուժեղացումը: Չինաստանն այժմ կառուցել է աշխարհի ամենամեծ միալիքային տարողունակությունը և ամենաարագ արագությամբ օպտիկական փոխանցման համակարգը, և ունի աշխարհի ամենալայն տեղեկատվական մայրուղին: Իտերբիումով լեգիրված և այլ հազվագյուտ հողային լեգիրված մանրաթելային ուժեղացուցիչներն ու լազերային նյութերը կարևոր և նշանակալի դեր են խաղում դրանցում:

Իտերբիումի սպեկտրալ բնութագրերը նաև օգտագործվում են որպես բարձրորակ լազերային նյութեր՝ և՛ որպես լազերային բյուրեղներ, և՛ որպես լազերային ապակիներ, և՛ որպես մանրաթելային լազերներ: Որպես բարձր հզորության լազերային նյութ, իտերբիումով լեգիրված լազերային բյուրեղները ձևավորել են հսկայական շարք, ներառյալ իտերբիումով լեգիրված իտրիումի ալյումինե նռնակը (Yb: YAG), իտերբիումով լեգիրված գադոլինիում գալիումի նռնակը (Yb: GGG), իտերբիումով լեգիրված կալցիումի ֆտորֆոսֆատը (Yb: FAP), իտերբիումով լեգիրված ստրոնցիումի ֆտորֆոսֆատը (Yb: S-FAP), իտերբիումով լեգիրված իտրիումի վանադատը (Yb: YV04), իտերբիումով լեգիրված բորատը և սիլիկատը: Կիսահաղորդչային լազերը (LD) պինդ վիճակում գտնվող լազերների համար պոմպի աղբյուրի նոր տեսակ է: Yb: YAG-ն ունի բազմաթիվ բնութագրեր, որոնք հարմար են բարձր հզորության LD պոմպի համար և դարձել է բարձր հզորության LD պոմպի լազերային նյութ: Yb:S-FAP բյուրեղը ապագայում կարող է օգտագործվել որպես լազերային նյութ լազերային միջուկային միաձուլման համար, ինչը գրավել է մարդկանց ուշադրությունը: Կարգավորելի լազերային բյուրեղներում կա քրոմի, իտերբիումի, հոլմիումի, իտրիումի, ալյումինի, գալիումի նռնակ (Cr, Yb, Ho: YAGG) ալիքի երկարություններ՝ 2.84-ից մինչև 3.05 μ, անընդհատ կարգավորվող m-ի միջև: Վիճակագրության համաձայն, աշխարհում հրթիռներում օգտագործվող ինֆրակարմիր մարտագլխիկների մեծ մասը օգտագործում է 3-5 μ: Հետևաբար, Cr, Yb, Ho: YSGG լազերների մշակումը կարող է ապահովել արդյունավետ միջամտություն միջին ինֆրակարմիր ուղղորդվող զենքի հակազդեցությունների համար և ունի կարևոր ռազմական նշանակություն: Չինաստանը հասել է մի շարք նորարարական արդյունքների՝ միջազգային առաջադեմ մակարդակով իտերբիումով լեգիրված լազերային բյուրեղների ոլորտում (Yb: YAG, Yb: FAP, Yb: SFAP և այլն), լուծելով այնպիսի հիմնական տեխնոլոգիաներ, ինչպիսիք են բյուրեղների աճը և լազերային արագ, իմպուլսային, անընդհատ և կարգավորվող ելքը: Հետազոտության արդյունքները կիրառվել են ազգային պաշտպանության, արդյունաբերության և գիտական ​​​​ճարտարագիտության մեջ, իսկ իտերբիումով լեգիրված բյուրեղային արտադրանքը արտահանվել է բազմաթիվ երկրներ և տարածաշրջաններ, ինչպիսիք են Միացյալ Նահանգները և Ճապոնիան։

Իտերբիումային լազերային նյութերի մեկ այլ հիմնական կատեգորիա է լազերային ապակին: Մշակվել են տարբեր բարձր ճառագայթման լայնական հատույթով լազերային ապակիներ, այդ թվում՝ գերմանիումի թելուրիտ, սիլիցիումի նիոբատ, բորատ և ֆոսֆատ: Ապակու ձուլման հեշտության շնորհիվ այն կարող է պատրաստվել մեծ չափերի և ունի այնպիսի բնութագրեր, ինչպիսիք են բարձր լույսի թափանցելիությունը և բարձր միատարրությունը, ինչը հնարավորություն է տալիս արտադրել բարձր հզորության լազերներ: Հայտնի հազվագյուտ հողային լազերային ապակին նախկինում հիմնականում նեոդիմային ապակի էր, որն ունի ավելի քան 40 տարվա մշակման պատմություն և հասուն արտադրության և կիրառման տեխնոլոգիա: Այն միշտ եղել է բարձր հզորության լազերային սարքերի համար նախընտրելի նյութ և օգտագործվել է միջուկային միաձուլման փորձարարական սարքերում և լազերային զենքերում: Չինաստանում կառուցված բարձր հզորության լազերային սարքերը, որոնք բաղկացած են լազերային նեոդիմային ապակուց որպես հիմնական լազերային միջավայր, հասել են աշխարհի առաջադեմ մակարդակին: Սակայն լազերային նեոդիմային ապակին այժմ բախվում է լազերային իտերբիումային ապակու հետ կապված հզոր մարտահրավերի:

Վերջին տարիներին բազմաթիվ ուսումնասիրություններ ցույց են տվել, որ լազերային իտերբիումային ապակու բազմաթիվ հատկություններ գերազանցում են նեոդիմային ապակու հատկություններին: Քանի որ իտերբիումով լյումինեսցենցիան ունի միայն երկու էներգետիկ մակարդակ, էներգիայի կուտակման արդյունավետությունը բարձր է: Նույն աճի դեպքում, իտերբիումային ապակին ունի էներգիայի կուտակման արդյունավետություն, որը 16 անգամ ավելի բարձր է, քան նեոդիմային ապակին, և ֆլուորեսցենցիայի կյանքի տևողությունը, որը 3 անգամ ավելի է, քան նեոդիմային ապակին: Այն նաև ունի առավելություններ, ինչպիսիք են բարձր լյումինեսցենտային կոնցենտրացիան, կլանման թողունակությունը և կարող է ուղղակիորեն մղվել կիսահաղորդիչների կողմից, ինչը այն դարձնում է շատ հարմար բարձր հզորության լազերների համար: Այնուամենայնիվ, իտերբիումային լազերային ապակու գործնական կիրառումը հաճախ հենվում է նեոդիմի օգնության վրա, օրինակ՝ Nd3+-ի օգտագործումը որպես զգայունացուցիչ՝ իտերբիումային լազերային ապակին սենյակային ջերմաստիճանում աշխատեցնելու համար, և μ լազերի ճառագայթումը հասնում է m ալիքի երկարության վրա: Այսպիսով, իտերբիումը և նեոդիմը և՛ մրցակիցներ են, և՛ համագործակցող գործընկերներ լազերային ապակու ոլորտում:

Ապակու կազմը կարգավորելով՝ կարելի է բարելավել իտերբիումային լազերային ապակու բազմաթիվ լուսարձակող հատկություններ։ Բարձր հզորության լազերների զարգացման շնորհիվ, որպես հիմնական ուղղություն, իտերբիումային լազերային ապակուց պատրաստված լազերները ավելի ու ավելի լայնորեն են կիրառվում ժամանակակից արդյունաբերության, գյուղատնտեսության, բժշկության, գիտական ​​հետազոտությունների և ռազմական կիրառությունների մեջ։

Ռազմական կիրառում. միջուկային միաձուլման արդյունքում ստացված էներգիայի օգտագործումը որպես էներգիա միշտ էլ սպասելի նպատակ է եղել, և վերահսկվող միջուկային միաձուլման հասնելը կարևոր միջոց կլինի մարդկության համար էներգետիկ խնդիրները լուծելու համար: Իտերբիումով լեգիրված լազերային ապակին 21-րդ դարում դառնում է իներցիոն սահմանափակման միաձուլման (ICF) արդիականացման համար նախընտրելի նյութ՝ իր գերազանց լազերային կատարողականության շնորհիվ:

Լազերային զենքերը օգտագործում են լազերային ճառագայթի հսկայական էներգիան՝ թիրախներին հարվածելու և ոչնչացնելու համար, առաջացնելով միլիարդավոր աստիճան Ցելսիուսի ջերմաստիճաններ և ուղղակիորեն հարձակվելով լույսի արագությամբ: Դրանք կարելի է անվանել Նադանա և ունեն մեծ մահացուություն, հատկապես հարմար է պատերազմական գործողություններում ժամանակակից հակաօդային պաշտպանության զենքի համակարգերի համար: Իտերբիումով լեգիրված լազերային ապակու գերազանց աշխատանքը այն դարձրել է կարևոր հիմնական նյութ բարձր հզորության և բարձր արդյունավետության լազերային զենքեր արտադրելու համար:

Մանրաթելային լազերը արագ զարգացող նոր տեխնոլոգիա է և պատկանում է նաև լազերային ապակու կիրառությունների ոլորտին: Մանրաթելային լազերը լազեր է, որն օգտագործում է մանրաթելը որպես լազերային միջավայր, որը մանրաթելի և լազերային տեխնոլոգիայի համադրության արդյունք է: Այն նոր լազերային տեխնոլոգիա է, որը մշակվել է էրբիումով լեգիրված մանրաթելային ուժեղացուցիչի (EDFA) տեխնոլոգիայի հիման վրա: Մանրաթելային լազերը բաղկացած է կիսահաղորդչային լազերային դիոդից որպես պոմպի աղբյուր, մանրաթելային օպտիկամանրաթելային ալիքատարից և ուժեղացման միջավայրից, ինչպես նաև օպտիկական բաղադրիչներից, ինչպիսիք են ցանցային մանրաթելերը և միակցիչները: Այն չի պահանջում օպտիկական ուղու մեխանիկական կարգավորում, և մեխանիզմը կոմպակտ է և հեշտ ինտեգրվող: Համեմատած ավանդական պինդ վիճակի լազերների և կիսահաղորդչային լազերների հետ, այն ունի տեխնոլոգիական և կատարողական առավելություններ, ինչպիսիք են բարձր ճառագայթի որակը, լավ կայունությունը, շրջակա միջավայրի միջամտության նկատմամբ ուժեղ դիմադրությունը, կարգավորման բացակայությունը, սպասարկման բացակայությունը և կոմպակտ կառուցվածքը: Քանի որ լեգիրված իոնները հիմնականում Nd+3, Yb+3, Er+3, Tm+3, Ho+3 են, որոնք բոլորն էլ օգտագործում են հազվագյուտ հողային մանրաթելեր որպես ուժեղացման միջավայր, ընկերության կողմից մշակված մանրաթելային լազերը կարելի է անվանել նաև հազվագյուտ հողային մանրաթելային լազեր:

Լազերի կիրառումը. Վերջին տարիներին բարձր հզորության իտերբիումով լեգիրված կրկնակի պատված մանրաթելային լազերը դարձել է միջազգային մակարդակով պինդ վիճակի լազերային տեխնոլոգիայի թեժ ոլորտ: Այն ունի լավ ճառագայթի որակի, կոմպակտ կառուցվածքի և բարձր փոխակերպման արդյունավետության առավելություններ, և ունի լայն կիրառման հեռանկարներ արդյունաբերական վերամշակման և այլ ոլորտներում: Կրկնակի պատված իտերբիումով լեգիրված մանրաթելերը հարմար են կիսահաղորդչային լազերային պոմպերի համար, ունեն բարձր միացման արդյունավետություն և բարձր լազերային ելքային հզորություն, և հանդիսանում են իտերբիումով լեգիրված մանրաթելերի հիմնական զարգացման ուղղությունը: Չինաստանի կրկնակի պատված իտերբիումով լեգիրված մանրաթելային տեխնոլոգիան այլևս չի համապատասխանում արտասահմանյան երկրների առաջադեմ մակարդակին: Չինաստանում մշակված իտերբիումով լեգիրված մանրաթելը, կրկնակի պատված իտերբիումով լեգիրված մանրաթելը և էրբիումով իտերբիումով կո լեգիրված մանրաթելը հասել են նմանատիպ արտասահմանյան արտադրանքի առաջադեմ մակարդակին կատարողականի և հուսալիության առումով, ունեն գնային առավելություններ և ունեն բազմաթիվ ապրանքների և մեթոդների համար հիմնական արտոնագրված տեխնոլոգիաներ:

Աշխարհահռչակ գերմանական IPG լազերային ընկերությունը վերջերս հայտարարեց, որ իրենց նոր թողարկված իտերբիումով լեգիրված մանրաթելային լազերային համակարգը ունի գերազանց ճառագայթային բնութագրեր, ավելի քան 50000 ժամ պոմպի աշխատանքային կյանք, 1070 նմ-1080 նմ կենտրոնական ճառագայթման ալիքի երկարություն և մինչև 20 կՎտ ելքային հզորություն: Այն կիրառվել է նուրբ եռակցման, կտրման և ապարային հորատման մեջ:

Լազերային նյութերը լազերային տեխնոլոգիայի զարգացման միջուկն ու հիմքն են: Լազերային արդյունաբերության մեջ միշտ եղել է այն ասացվածքը, որ «նյութերի մեկ սերունդ, սարքերի մեկ սերունդ»: Առաջադեմ և գործնական լազերային սարքեր մշակելու համար անհրաժեշտ է նախ ունենալ բարձր արդյունավետության լազերային նյութեր և ինտեգրել այլ համապատասխան տեխնոլոգիաներ: Իտերբիումով լեգիրված լազերային բյուրեղները և լազերային ապակին, որպես պինդ լազերային նյութերի նոր ուժ, խթանում են օպտիկամանրաթելային կապի և լազերային տեխնոլոգիայի նորարարական զարգացումը, հատկապես առաջատար լազերային տեխնոլոգիաների մեջ, ինչպիսիք են բարձր հզորության միջուկային միաձուլման լազերները, բարձր էներգիայի հարվածային սալիկների լազերները և բարձր էներգիայի զենքի լազերները:

Բացի այդ, իտերբիումը նաև օգտագործվում է որպես ֆլուորեսցենտային փոշու ակտիվատոր, ռադիոկերամիկա, էլեկտրոնային համակարգչի հիշողության բաղադրիչների (մագնիսական փուչիկների) հավելանյութեր և օպտիկական ապակու հավելանյութեր: Պետք է նշել, որ իտրիումը և իտրիումը երկուսն էլ հազվագյուտ հողային տարրեր են: Չնայած անգլերեն անվանումներում և տարրերի նշաններում կան էական տարբերություններ, չինական հնչյունական այբուբենն ունի նույն վանկերը: Որոշ չինական թարգմանություններում իտրիումը երբեմն սխալմամբ անվանում են իտրիում: Այս դեպքում մենք պետք է հետևենք բնօրինակ տեքստին և համատեղենք տարրերի նշանները՝ հաստատելու համար: