जादुई दुर्मिळ पृथ्वी घटक: यटरबियम

यटरबियम: अणुक्रमांक ७०, अणुभार १७३.०४, त्याच्या शोध स्थानावरून घेतलेले मूलद्रव्याचे नाव. त्यातील सामग्रीयटरबियमकवचात ०.०००२६६% आहे, जे प्रामुख्याने फॉस्फोराइट आणि काळ्या दुर्मिळ सोन्याच्या साठ्यांमध्ये आढळते, तर मोनाझाइटमध्ये हे प्रमाण ०.०३% आहे, ज्यामध्ये ७ नैसर्गिक समस्थानिके आहेत.

इतिहास शोधणे

शोधलेले: मारिनक

वेळ: १८७८

स्थान: स्वित्झर्लंड 

१८७८ मध्ये, स्विस रसायनशास्त्रज्ञ जीन चार्ल्स आणि जी मॅरिग्नाक यांनी "एर्बियम" मध्ये एक नवीन दुर्मिळ पृथ्वी घटक शोधला. १९०७ मध्ये, उल्बान आणि वेल्स यांनी निदर्शनास आणून दिले की मॅरिग्नाकने ल्युटेशियम ऑक्साईड आणि यटरबियम ऑक्साईडचे मिश्रण वेगळे केले. स्टॉकहोमजवळील यटरबी नावाच्या छोट्या गावाच्या स्मरणार्थ, जिथे यट्रियम धातूचा शोध लागला होता, या नवीन घटकाचे नाव Yb चिन्हासह यटरबियम ठेवण्यात आले.

इलेक्ट्रॉन कॉन्फिगरेशन

१एस२ २एस२ २पी६ ३एस२ ३पी६ ४एस२ ३डी१० ४पी६ ५एस२ ४डी१० ५पी६ ६एस२ ४एफ१४

धातू

धातूचा यटरबियमहे चांदीचे राखाडी रंगाचे, लवचिक आहे आणि त्याची पोत मऊ आहे. खोलीच्या तपमानावर, यटरबियम हळूहळू हवा आणि पाण्याद्वारे ऑक्सिडाइझ केले जाऊ शकते.

दोन क्रिस्टल स्ट्रक्चर्स आहेत: α- हा प्रकार फेस सेंटर्ड क्यूबिक क्रिस्टल सिस्टम आहे (खोलीचे तापमान -७९८ ℃); β- हा प्रकार बॉडी सेंटर्ड क्यूबिक (७९८ ℃ पेक्षा जास्त) जाळीचा आहे. वितळण्याचा बिंदू ८२४ ℃, उकळण्याचा बिंदू १४२७ ℃, सापेक्ष घनता ६.९७७（α- प्रकार), ६.५४（β- प्रकार).

थंड पाण्यात अघुलनशील, आम्ल आणि द्रव अमोनियामध्ये विरघळणारे. ते हवेत बरेच स्थिर आहे. समारियम आणि युरोपियम प्रमाणेच, यटरबियम हे परिवर्तनशील व्हॅलेन्स दुर्मिळ पृथ्वीशी संबंधित आहे आणि ते सहसा त्रिसंयोजक असण्याव्यतिरिक्त सकारात्मक द्विसंयोजक स्थितीत देखील असू शकते.

या परिवर्तनशील संयुजा वैशिष्ट्यामुळे, धातूच्या यटरबियमची तयारी इलेक्ट्रोलिसिसद्वारे केली जाऊ नये, तर तयारी आणि शुद्धीकरणासाठी रिडक्शन डिस्टिलेशन पद्धतीने केली पाहिजे. सहसा,लॅन्थॅनम धातूयटरबियम धातूच्या उच्च बाष्प दाब आणि लॅन्थॅनम धातूच्या कमी बाष्प दाबातील फरकाचा वापर करून, रिडक्शन डिस्टिलेशनसाठी रिड्यूसिंग एजंट म्हणून वापरले जाते. पर्यायीरित्या,थुलियम, यटरबियम, आणिल्युटेशियमसांद्रता कच्चा माल म्हणून वापरली जाऊ शकते आणि धातूचे लॅन्थॅनम कमी करणारे एजंट म्हणून वापरले जाऊ शकते. ११०० ℃ आणि <०.१३३Pa च्या उच्च तापमानाच्या व्हॅक्यूम परिस्थितीत, धातूचे यटरबियम थेट कमी करण्याच्या ऊर्धपातनाने काढले जाऊ शकते. जसेसमारियमआणियुरोपियम,यटरबियमला ​​ओले रिडक्शनद्वारे वेगळे आणि शुद्ध केले जाऊ शकते. सहसा, थुलियम, यटरबियम आणि ल्युटेशियम कॉन्सन्ट्रेट्स कच्चा माल म्हणून वापरले जातात. विरघळल्यानंतर, यटरबियम द्विसंयोजक स्थितीत कमी केले जाते, ज्यामुळे गुणधर्मांमध्ये लक्षणीय फरक होतो आणि नंतर इतर त्रिसंयोजक दुर्मिळ पृथ्वींपासून वेगळे केले जाते. उच्च-शुद्धता यटरबियम ऑक्साईडचे उत्पादन सहसा एक्सट्रॅक्शन क्रोमॅटोग्राफी किंवा आयन एक्सचेंज पद्धतीने केले जाते.

अर्ज

विशेष मिश्रधातूंच्या निर्मितीसाठी वापरले जाते.यटरबियम मिश्रधातूधातुकर्म आणि रासायनिक प्रयोगांसाठी दंतवैद्यकांमध्ये वापरले गेले आहे.

अलिकडच्या वर्षांत, यटरबियम फायबर ऑप्टिक कम्युनिकेशन आणि लेसर तंत्रज्ञानाच्या क्षेत्रात उदयास आले आहे आणि वेगाने विकसित झाले आहे.

"माहिती महामार्ग" च्या बांधकाम आणि विकासासह, संगणक नेटवर्क आणि लांब-अंतराच्या ऑप्टिकल फायबर ट्रान्समिशन सिस्टममध्ये ऑप्टिकल कम्युनिकेशनमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या ऑप्टिकल फायबर मटेरियलच्या कामगिरीसाठी वाढत्या प्रमाणात उच्च आवश्यकता आहेत. यटरबियम आयन, त्यांच्या उत्कृष्ट वर्णक्रमीय गुणधर्मांमुळे, ऑप्टिकल कम्युनिकेशनसाठी फायबर अॅम्प्लिफिकेशन मटेरियल म्हणून वापरले जाऊ शकतात, जसे कीएर्बियमआणिथुलियम. जरी दुर्मिळ पृथ्वी घटक एर्बियम हा अजूनही फायबर अॅम्प्लिफायर्स तयार करण्यात मुख्य खेळाडू आहे, तरीही पारंपारिक एर्बियम-डोपेड क्वार्ट्ज फायबरमध्ये कमी गेन बँडविड्थ (30nm) असते, ज्यामुळे उच्च-गती आणि उच्च-क्षमता माहिती प्रसारणाच्या आवश्यकता पूर्ण करणे कठीण होते. Yb3+ आयनमध्ये 980nm च्या आसपास Er3+ आयनपेक्षा खूप मोठे शोषण क्रॉस-सेक्शन असते. Yb3+ च्या संवेदनशीलता प्रभावाद्वारे आणि एर्बियम आणि यटरबियमच्या ऊर्जा हस्तांतरणाद्वारे, 1530nm प्रकाश मोठ्या प्रमाणात वाढवता येतो, ज्यामुळे प्रकाशाची प्रवर्धन कार्यक्षमता मोठ्या प्रमाणात सुधारते.

अलिकडच्या वर्षांत, एर्बियम यटरबियम को-डोपेड फॉस्फेट ग्लास संशोधकांकडून वाढत्या प्रमाणात पसंत केला जात आहे. फॉस्फेट आणि फ्लोरोफॉस्फेट ग्लासेसमध्ये चांगली रासायनिक आणि थर्मल स्थिरता आहे, तसेच रुंद इन्फ्रारेड ट्रान्समिटन्स आणि मोठे नॉन-युनिफॉर्म ब्रॉडनिंग वैशिष्ट्ये आहेत, ज्यामुळे ते ब्रॉडबँड आणि हाय गेन एर्बियम-डोपेड अॅम्प्लिफिकेशन फायबर ग्लाससाठी आदर्श साहित्य बनतात. Yb3+डोपेड फायबर अॅम्प्लिफिकेशन पॉवर अॅम्प्लिफिकेशन आणि स्मॉल सिग्नल अॅम्प्लिफिकेशन साध्य करू शकतात, ज्यामुळे ते फायबर ऑप्टिक सेन्सर्स, फ्री स्पेस लेसर कम्युनिकेशन आणि अल्ट्रा शॉर्ट पल्स अॅम्प्लिफिकेशन सारख्या क्षेत्रांसाठी योग्य बनतात. चीनने सध्या जगातील सर्वात मोठी सिंगल चॅनेल क्षमता आणि सर्वात वेगवान ऑप्टिकल ट्रान्समिशन सिस्टम तयार केली आहे आणि जगातील सर्वात रुंद माहिती महामार्ग आहे. यटरबियम डोपेड आणि इतर दुर्मिळ पृथ्वी डोपेड फायबर अॅम्प्लिफिकेशन आणि लेसर मटेरियल त्यामध्ये महत्त्वपूर्ण आणि महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावतात.

यटरबियमची वर्णक्रमीय वैशिष्ट्ये लेसर क्रिस्टल्स, लेसर ग्लासेस आणि फायबर लेसर या दोन्ही उच्च-गुणवत्तेच्या लेसर मटेरियल म्हणून देखील वापरली जातात. उच्च-शक्तीच्या लेसर मटेरियल म्हणून, यटरबियम डोपेड लेसर क्रिस्टल्सनी यटरबियम डोपेडसह एक मोठी मालिका तयार केली आहे.यट्रियम अॅल्युमिनियमगार्नेट (Yb: YAG), यटरबियम डोपेडगॅडोलिनियमगॅलियम गार्नेट (Yb: GGG), यटरबियम डोपेड कॅल्शियम फ्लोरोफॉस्फेट (Yb: FAP), यटरबियम डोपेड स्ट्रॉन्टियम फ्लोरोफॉस्फेट (Yb: S-FAP), यटरबियम डोपेड यट्रियम व्हॅनडेट (Yb: YV04), यटरबियम डोपेड बोरेट आणि सिलिकेट. सेमीकंडक्टर लेसर (LD) हा सॉलिड-स्टेट लेसरसाठी एक नवीन प्रकारचा पंप स्रोत आहे. Yb: YAG मध्ये उच्च-शक्ती LD पंपिंगसाठी योग्य अनेक वैशिष्ट्ये आहेत आणि ती उच्च-शक्ती LD पंपिंगसाठी लेसर सामग्री बनली आहे. Yb: S-FAP क्रिस्टल भविष्यात लेसर न्यूक्लियर फ्यूजनसाठी लेसर सामग्री म्हणून वापरला जाऊ शकतो, ज्याने लोकांचे लक्ष वेधले आहे. ट्यून करण्यायोग्य लेसर क्रिस्टल्समध्ये, क्रोमियम यटरबियम होल्मियम यट्रियम अॅल्युमिनियम गॅलियम गार्नेट (Cr, Yb, Ho: YAGG) आहे ज्याची तरंगलांबी 2.84 ते 3.05 μ पर्यंत असते. m दरम्यान सतत समायोजित करता येते. आकडेवारीनुसार, जगभरातील क्षेपणास्त्रांमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या बहुतेक इन्फ्रारेड वॉरहेड्समध्ये 3-5 μ वापरतात. म्हणूनच, Cr, Yb, Ho: YSGG लेसरचा विकास मध्यम इन्फ्रारेड मार्गदर्शित शस्त्र प्रतिमेजरसाठी प्रभावी हस्तक्षेप प्रदान करू शकतो आणि त्याचे महत्त्वाचे लष्करी महत्त्व आहे. चीनने यटरबियम डोपेड लेसर क्रिस्टल्स (Yb: YAG, Yb: FAP, Yb: SFAP, इत्यादी) क्षेत्रात आंतरराष्ट्रीय प्रगत पातळीसह नाविन्यपूर्ण परिणामांची मालिका साध्य केली आहे, ज्यामुळे क्रिस्टल वाढ आणि लेसर जलद, पल्स, सतत आणि समायोज्य आउटपुट यासारख्या प्रमुख तंत्रज्ञानाचे निराकरण झाले आहे. संशोधन परिणाम राष्ट्रीय संरक्षण, उद्योग आणि वैज्ञानिक अभियांत्रिकीमध्ये लागू केले गेले आहेत आणि यटरबियम डोपेड क्रिस्टल उत्पादने युनायटेड स्टेट्स आणि जपान सारख्या अनेक देशांमध्ये आणि प्रदेशांमध्ये निर्यात केली गेली आहेत.

यटरबियम लेसर मटेरियलची आणखी एक प्रमुख श्रेणी म्हणजे लेसर ग्लास. जर्मेनियम टेल्युराइट, सिलिकॉन निओबेट, बोरेट आणि फॉस्फेटसह विविध उच्च उत्सर्जन क्रॉस-सेक्शन लेसर ग्लासेस विकसित केले गेले आहेत. काचेच्या मोल्डिंगच्या सोयीमुळे, ते मोठ्या आकारात बनवता येते आणि त्यात उच्च प्रकाश संप्रेषण आणि उच्च एकरूपता अशी वैशिष्ट्ये आहेत, ज्यामुळे उच्च-शक्तीचे लेसर तयार करणे शक्य होते. परिचित दुर्मिळ पृथ्वी लेसर ग्लास प्रामुख्याने असायचानिओडायमियमकाच, ज्याचा विकास इतिहास ४० वर्षांहून अधिक आहे आणि उत्पादन आणि अनुप्रयोग तंत्रज्ञानात परिपक्व आहे. उच्च-शक्तीच्या लेसर उपकरणांसाठी हे नेहमीच पसंतीचे साहित्य राहिले आहे आणि अणु संलयन प्रायोगिक उपकरणे आणि लेसर शस्त्रांमध्ये वापरले गेले आहे. चीनमध्ये बनवलेले उच्च-शक्तीचे लेसर उपकरण, ज्यामध्ये लेसरचा समावेश आहेनिओडायमियममुख्य लेसर माध्यम म्हणून काच, जगातील प्रगत पातळी गाठली आहे. परंतु लेसर निओडायमियम काचेला आता लेसर यटरबियम काचेचे एक शक्तिशाली आव्हान आहे.

अलिकडच्या वर्षांत, मोठ्या संख्येने अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की लेसर यटरबियम ग्लासचे अनेक गुणधर्मनिओडायमियमकाच. यटरबियम डोपेड ल्युमिनेसेन्समध्ये फक्त दोन ऊर्जा पातळी असतात, त्यामुळे ऊर्जा साठवण कार्यक्षमता जास्त असते. त्याच वाढीसह, यटरबियम ग्लासमध्ये निओडीमियम ग्लासपेक्षा 16 पट जास्त ऊर्जा साठवण कार्यक्षमता आणि निओडीमियम ग्लासपेक्षा 3 पट फ्लूरोसेन्स लाइफटाइम आहे. त्याचे उच्च डोपिंग एकाग्रता, शोषण बँडविड्थ असे फायदे देखील आहेत आणि ते थेट सेमीकंडक्टरद्वारे पंप केले जाऊ शकते, ज्यामुळे ते उच्च-शक्तीच्या लेसरसाठी खूप योग्य बनते. तथापि, यटरबियम लेसर ग्लासचा व्यावहारिक वापर बहुतेकदा निओडीमियमच्या सहाय्यावर अवलंबून असतो, जसे की यटरबियम लेसर ग्लास खोलीच्या तापमानावर चालण्यासाठी Nd3+ ला सेन्सिटायझर म्हणून वापरणे आणि μ लेसर उत्सर्जन m तरंगलांबीवर साध्य केले जाते. म्हणून, यटरबियम आणि निओडीमियम हे लेसर ग्लासच्या क्षेत्रात स्पर्धक आणि सहयोगी भागीदार आहेत.

काचेची रचना समायोजित करून, यटरबियम लेसर काचेचे अनेक ल्युमिनेसेंट गुणधर्म सुधारले जाऊ शकतात. उच्च-शक्तीच्या लेसरच्या विकासाला मुख्य दिशा म्हणून, यटरबियम लेसर काचेपासून बनवलेले लेसर आधुनिक उद्योग, शेती, औषध, वैज्ञानिक संशोधन आणि लष्करी अनुप्रयोगांमध्ये वाढत्या प्रमाणात वापरले जात आहेत.

लष्करी वापर: अणु संलयनाद्वारे निर्माण होणाऱ्या ऊर्जेचा ऊर्जे म्हणून वापर करणे हे नेहमीच अपेक्षित ध्येय राहिले आहे आणि नियंत्रित अणु संलयन साध्य करणे हे मानवतेसाठी ऊर्जा समस्या सोडवण्यासाठी एक महत्त्वाचे साधन असेल. २१ व्या शतकात उत्कृष्ट लेसर कामगिरीमुळे यटरबियम डोपेड लेसर ग्लास इनर्शियल कन्फाइनमेंट फ्यूजन (ICF) अपग्रेड साध्य करण्यासाठी पसंतीचे साहित्य बनत आहे.

लेसर शस्त्रे लक्ष्यांवर हल्ला करण्यासाठी आणि नष्ट करण्यासाठी लेसर बीमची प्रचंड ऊर्जा वापरतात, अब्जावधी अंश सेल्सिअस तापमान निर्माण करतात आणि प्रकाशाच्या वेगाने थेट हल्ला करतात. त्यांना नादाना म्हणून संबोधले जाऊ शकते आणि त्यांची प्राणघातक क्षमता खूप जास्त आहे, विशेषतः युद्धात आधुनिक हवाई संरक्षण शस्त्र प्रणालींसाठी योग्य. यटरबियम डोपेड लेसर ग्लासच्या उत्कृष्ट कामगिरीमुळे ते उच्च-शक्ती आणि उच्च-कार्यक्षमता लेसर शस्त्रे तयार करण्यासाठी एक महत्त्वाचे मूलभूत साहित्य बनले आहे.

फायबर लेसर ही एक वेगाने विकसित होणारी नवीन तंत्रज्ञान आहे आणि ती लेसर ग्लास अनुप्रयोगांच्या क्षेत्राशी देखील संबंधित आहे. फायबर लेसर हे एक लेसर आहे जे लेसर माध्यम म्हणून फायबर वापरते, जे फायबर आणि लेसर तंत्रज्ञानाच्या संयोजनाचे उत्पादन आहे. हे एर्बियम डोपेड फायबर अॅम्प्लिफायर (EDFA) तंत्रज्ञानाच्या आधारे विकसित केलेले एक नवीन लेसर तंत्रज्ञान आहे. फायबर लेसरमध्ये पंप स्रोत म्हणून सेमीकंडक्टर लेसर डायोड, फायबर ऑप्टिक वेव्हगाइड आणि गेन माध्यम आणि ग्रेटिंग फायबर आणि कप्लर्स सारख्या ऑप्टिकल घटकांचा समावेश असतो. त्याला ऑप्टिकल मार्गाचे यांत्रिक समायोजन आवश्यक नसते आणि यंत्रणा कॉम्पॅक्ट आणि एकत्रित करणे सोपे असते. पारंपारिक सॉलिड-स्टेट लेसर आणि सेमीकंडक्टर लेसरच्या तुलनेत, त्याचे तांत्रिक आणि कार्यक्षमता फायदे आहेत जसे की उच्च बीम गुणवत्ता, चांगली स्थिरता, पर्यावरणीय हस्तक्षेपाला मजबूत प्रतिकार, कोणतेही समायोजन नाही, देखभाल नाही आणि कॉम्पॅक्ट रचना. डोपेड आयन प्रामुख्याने Nd+3, Yb+3, Er+3, Tm+3, Ho+3 आहेत, जे सर्व रेअर अर्थ फायबर गेन मीडिया म्हणून वापरतात, कंपनीने विकसित केलेल्या फायबर लेसरला रेअर अर्थ फायबर लेसर देखील म्हटले जाऊ शकते.

लेसर अनुप्रयोग: अलिकडच्या वर्षांत आंतरराष्ट्रीय स्तरावर सॉलिड-स्टेट लेसर तंत्रज्ञानामध्ये उच्च शक्तीचे यटरबियम डोपेड डबल क्लेड फायबर लेसर एक लोकप्रिय क्षेत्र बनले आहे. त्यात चांगली बीम गुणवत्ता, कॉम्पॅक्ट रचना आणि उच्च रूपांतरण कार्यक्षमता हे फायदे आहेत आणि औद्योगिक प्रक्रिया आणि इतर क्षेत्रात व्यापक अनुप्रयोग शक्यता आहेत. डबल क्लेड यटरबियम डोपेड फायबर सेमीकंडक्टर लेसर पंपिंगसाठी योग्य आहेत, उच्च कपलिंग कार्यक्षमता आणि उच्च लेसर आउटपुट पॉवरसह, आणि यटरबियम डोपेड फायबरची मुख्य विकास दिशा आहेत. चीनचे डबल क्लेड यटरबियम डोपेड फायबर तंत्रज्ञान आता परदेशी देशांच्या प्रगत पातळीच्या बरोबरीचे नाही. चीनमध्ये विकसित केलेले यटरबियम डोपेड फायबर, डबल क्लेड यटरबियम डोपेड फायबर आणि एर्बियम यटरबियम को डोपेड फायबर कामगिरी आणि विश्वासार्हतेच्या बाबतीत समान परदेशी उत्पादनांच्या प्रगत पातळीवर पोहोचले आहेत, त्यांच्याकडे किमतीचे फायदे आहेत आणि अनेक उत्पादने आणि पद्धतींसाठी मुख्य पेटंट तंत्रज्ञान आहे.

जगप्रसिद्ध जर्मन आयपीजी लेसर कंपनीने अलीकडेच जाहीर केले की त्यांच्या नव्याने लाँच केलेल्या यटरबियम डोपेड फायबर लेसर सिस्टीममध्ये उत्कृष्ट बीम वैशिष्ट्ये, ५०००० तासांपेक्षा जास्त पंप लाइफ, १०७० एनएम-१०८० एनएमची केंद्रीय उत्सर्जन तरंगलांबी आणि २० किलोवॅट पर्यंत आउटपुट पॉवर आहे. हे बारीक वेल्डिंग, कटिंग आणि रॉक ड्रिलिंगमध्ये वापरले गेले आहे.

लेसर तंत्रज्ञानाच्या विकासाचा गाभा आणि पाया लेसर साहित्य आहे. लेसर उद्योगात नेहमीच एक म्हण आहे की 'एक पिढीची सामग्री, एक पिढीची उपकरणे'. प्रगत आणि व्यावहारिक लेसर उपकरणे विकसित करण्यासाठी, प्रथम उच्च-कार्यक्षमता लेसर साहित्य असणे आणि इतर संबंधित तंत्रज्ञान एकत्रित करणे आवश्यक आहे. यटरबियम डोपेड लेसर क्रिस्टल्स आणि लेसर ग्लास, घन लेसर सामग्रीची नवीन शक्ती म्हणून, फायबर ऑप्टिक कम्युनिकेशन आणि लेसर तंत्रज्ञानाच्या नाविन्यपूर्ण विकासाला प्रोत्साहन देत आहेत, विशेषतः उच्च-शक्तीच्या न्यूक्लियर फ्यूजन लेसर, उच्च-ऊर्जा बीट टाइल लेसर आणि उच्च-ऊर्जा शस्त्र लेसर सारख्या अत्याधुनिक लेसर तंत्रज्ञानात.

याव्यतिरिक्त, यटरबियमचा वापर फ्लोरोसेंट पावडर अ‍ॅक्टिव्हेटर, रेडिओ सिरेमिक्स, इलेक्ट्रॉनिक संगणक मेमरी घटकांसाठी अ‍ॅडिटीव्ह (चुंबकीय बुडबुडे) आणि ऑप्टिकल ग्लास अ‍ॅडिटीव्ह म्हणून देखील केला जातो. हे लक्षात घेतले पाहिजे की यट्रियम आणि यट्रियम हे दोन्ही दुर्मिळ पृथ्वी घटक आहेत. जरी इंग्रजी नावे आणि घटक चिन्हांमध्ये लक्षणीय फरक असले तरी, चिनी ध्वन्यात्मक वर्णमालेत समान अक्षरे आहेत. काही चिनी भाषांतरांमध्ये, यट्रियमला ​​कधीकधी चुकून यट्रियम असे संबोधले जाते. या प्रकरणात, आपल्याला मूळ मजकूर शोधून काढावा लागेल आणि पुष्टी करण्यासाठी घटक चिन्हे एकत्र करावी लागतील.