जादुई दुर्लभ पृथ्वी तत्व: यटरबियम

यटरबियम: परमाणु क्रमांक 70, परमाणु भार 173.04, तत्व का नाम इसकी खोज के स्थान से लिया गया है।यटरबियमभूपर्पटी में इसकी मात्रा 0.000266% है, जो मुख्य रूप से फॉस्फोराइट और काले दुर्लभ सोने के भंडार में मौजूद है, जबकि मोनाजाइट में इसकी मात्रा 0.03% है, जिसमें 7 प्राकृतिक समस्थानिक हैं।

इतिहास की खोज

खोजकर्ता: मारिनक

समय: 1878

स्थान: स्विट्ज़रलैंड 

1878 में, स्विस रसायनज्ञ जीन चार्ल्स और जी मैरिग्नैक ने "एर्बियम" में एक नया दुर्लभ पृथ्वी तत्व खोजा। 1907 में, उलबन और वील्स ने बताया कि मैरिग्नैक ने ल्यूटेटियम ऑक्साइड और यटरबियम ऑक्साइड के मिश्रण को अलग किया। स्टॉकहोम के पास यटेरबी नामक छोटे से गाँव की याद में, जहाँ यट्रियम अयस्क की खोज की गई थी, इस नए तत्व को Ytterbium नाम दिया गया, जिसका प्रतीक Yb था।

इलेक्ट्रॉन विन्यास

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

धातु

धात्विक यटरबियमयह सिल्वर ग्रे, तन्य और मुलायम बनावट वाला होता है। कमरे के तापमान पर, यटरबियम को हवा और पानी द्वारा धीरे-धीरे ऑक्सीकृत किया जा सकता है।

दो क्रिस्टल संरचनाएँ हैं: α- प्रकार एक चेहरा केंद्रित घन क्रिस्टल प्रणाली (कमरे का तापमान -798 ℃) है; β- प्रकार एक शरीर केंद्रित घन (798 ℃ से ऊपर) जाली है। गलनांक 824 ℃, क्वथनांक 1427 ℃, सापेक्ष घनत्व 6.977 (α- प्रकार), 6.54 (β- प्रकार)।

ठंडे पानी में अघुलनशील, एसिड और तरल अमोनिया में घुलनशील। यह हवा में काफी स्थिर है। समैरियम और यूरोपियम की तरह, यटरबियम भी परिवर्तनशील वैलेंस दुर्लभ पृथ्वी से संबंधित है, और आमतौर पर त्रिसंयोजक होने के अलावा एक सकारात्मक द्विसंयोजक अवस्था में भी हो सकता है।

इस परिवर्तनशील संयोजकता विशेषता के कारण, धात्विक यटरबियम की तैयारी इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा नहीं की जानी चाहिए, बल्कि तैयारी और शुद्धिकरण के लिए कमी आसवन विधि द्वारा की जानी चाहिए। आमतौर पर,लैंटानम धातुयटरबियम धातु के उच्च वाष्प दाब और लैंटानम धातु के निम्न वाष्प दाब के बीच अंतर का उपयोग करके, अपचयन आसवन के लिए एक अपचायक एजेंट के रूप में उपयोग किया जाता है। वैकल्पिक रूप से,थ्यूलियम, यटरबियम, औरल्यूटेशियमसांद्रों को कच्चे माल के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है, और धातु लैंटानम को कम करने वाले एजेंट के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है। >1100 ℃ और <0.133Pa के उच्च तापमान वैक्यूम स्थितियों के तहत, धातु यटरबियम को कमी आसवन द्वारा सीधे निकाला जा सकता है। जैसेसमैरियमऔरयुरोपियम,यटरबियम को गीले अपचयन के माध्यम से भी अलग और शुद्ध किया जा सकता है। आमतौर पर, थुलियम, यटरबियम और ल्यूटेटियम सांद्रों का उपयोग कच्चे माल के रूप में किया जाता है। विघटन के बाद, यटरबियम को द्विसंयोजक अवस्था में कम कर दिया जाता है, जिससे गुणों में महत्वपूर्ण अंतर होता है, और फिर अन्य त्रिसंयोजक दुर्लभ पृथ्वी से अलग कर दिया जाता है। उच्च शुद्धता वाले यटरबियम ऑक्साइड का उत्पादन आमतौर पर निष्कर्षण क्रोमैटोग्राफी या आयन एक्सचेंज विधि द्वारा किया जाता है

आवेदन

विशेष मिश्रधातुओं के निर्माण के लिए उपयोग किया जाता है।यटरबियम मिश्र धातुधातुकर्म और रासायनिक प्रयोगों के लिए दंत चिकित्सा में इसका प्रयोग किया गया है।

हाल के वर्षों में, फाइबर ऑप्टिक संचार और लेजर प्रौद्योगिकी के क्षेत्र में यटरबियम का उदय हुआ है और इसका तेजी से विकास हुआ है।

"सूचना राजमार्ग" के निर्माण और विकास के साथ, कंप्यूटर नेटवर्क और लंबी दूरी के ऑप्टिकल फाइबर ट्रांसमिशन सिस्टम में ऑप्टिकल संचार में उपयोग किए जाने वाले ऑप्टिकल फाइबर सामग्रियों के प्रदर्शन के लिए लगातार उच्च आवश्यकताएं हैं। यटरबियम आयनों को, उनके उत्कृष्ट वर्णक्रमीय गुणों के कारण, ऑप्टिकल संचार के लिए फाइबर प्रवर्धन सामग्री के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है, ठीक वैसे ही जैसेएर्बियमऔरथ्यूलियम. हालाँकि दुर्लभ पृथ्वी तत्व एर्बियम अभी भी फाइबर एम्पलीफायरों की तैयारी में मुख्य खिलाड़ी है, पारंपरिक एर्बियम-डॉप्ड क्वार्ट्ज फाइबर में एक छोटा लाभ बैंडविड्थ (30nm) है, जिससे उच्च गति और उच्च क्षमता वाली सूचना संचरण की आवश्यकताओं को पूरा करना मुश्किल हो जाता है। Yb3+ आयनों में Er3+ आयनों की तुलना में बहुत बड़ा अवशोषण क्रॉस-सेक्शन लगभग 980nm है। Yb3+ के संवेदीकरण प्रभाव और एर्बियम और यटरबियम के ऊर्जा हस्तांतरण के माध्यम से, 1530nm प्रकाश को बहुत बढ़ाया जा सकता है, जिससे प्रकाश की प्रवर्धन दक्षता में काफी सुधार होता है।

हाल के वर्षों में, शोधकर्ताओं द्वारा एर्बियम यटरबियम सह डोप्ड फॉस्फेट ग्लास का तेजी से पक्ष लिया गया है। फॉस्फेट और फ्लोरोफॉस्फेट ग्लास में अच्छी रासायनिक और थर्मल स्थिरता होती है, साथ ही व्यापक अवरक्त संप्रेषण और बड़े गैर-समान चौड़ीकरण विशेषताएँ होती हैं, जो उन्हें ब्रॉडबैंड और उच्च लाभ वाले एर्बियम-डोप्ड एम्पलीफिकेशन फाइबर ग्लास के लिए आदर्श सामग्री बनाती हैं। Yb3 + डोप्ड फाइबर एम्पलीफायर पावर एम्पलीफिकेशन और छोटे सिग्नल एम्पलीफिकेशन को प्राप्त कर सकते हैं, जो उन्हें फाइबर ऑप्टिक सेंसर, फ्री स्पेस लेजर संचार और अल्ट्रा शॉर्ट पल्स एम्पलीफिकेशन जैसे क्षेत्रों के लिए उपयुक्त बनाता है। चीन ने वर्तमान में दुनिया की सबसे बड़ी एकल चैनल क्षमता और सबसे तेज़ गति वाली ऑप्टिकल ट्रांसमिशन प्रणाली बनाई है, और दुनिया में सबसे चौड़ा सूचना राजमार्ग है। यटरबियम डोप्ड और अन्य दुर्लभ पृथ्वी डोप्ड फाइबर एम्पलीफायर और लेजर सामग्री उनमें एक महत्वपूर्ण और महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।

यटरबियम की वर्णक्रमीय विशेषताओं का उपयोग उच्च गुणवत्ता वाली लेजर सामग्री के रूप में भी किया जाता है, दोनों लेजर क्रिस्टल, लेजर ग्लास और फाइबर लेजर के रूप में। एक उच्च शक्ति वाली लेजर सामग्री के रूप में, यटरबियम डोप्ड लेजर क्रिस्टल ने एक विशाल श्रृंखला बनाई है, जिसमें यटरबियम डोप्ड शामिल हैयिट्रियम एल्युमिनियमगार्नेट (Yb: YAG), यटरबियम डोप्डगैडोलीनियमगैलियम गार्नेट (Yb: GGG), यटरबियम डोप्ड कैल्शियम फ्लोरोफॉस्फेट (Yb: FAP), यटरबियम डोप्ड स्ट्रोंटियम फ्लोरोफॉस्फेट (Yb: S-FAP), यटरबियम डोप्ड यट्रियम वैनाडेट (Yb: YV04), यटरबियम डोप्ड बोरेट और सिलिकेट। सेमीकंडक्टर लेजर (LD) सॉलिड-स्टेट लेजर के लिए एक नए प्रकार का पंप स्रोत है। Yb: YAG में उच्च-शक्ति LD पंपिंग के लिए उपयुक्त कई विशेषताएँ हैं और यह उच्च-शक्ति LD पंपिंग के लिए एक लेजर सामग्री बन गई है। Yb: S-FAP क्रिस्टल का उपयोग भविष्य में लेजर परमाणु संलयन के लिए लेजर सामग्री के रूप में किया जा सकता है, जिसने लोगों का ध्यान आकर्षित किया है। ट्यूनेबल लेजर क्रिस्टल में, क्रोमियम यटरबियम होल्मियम यट्रियम एल्युमिनियम गैलियम गार्नेट (Cr, Yb, Ho: YAGG) होता है जिसकी तरंग दैर्ध्य 2.84 से 3.05 μ मीटर के बीच लगातार समायोज्य होती है। आंकड़ों के अनुसार, दुनिया भर में मिसाइलों में इस्तेमाल होने वाले ज्यादातर इंफ्रारेड वॉरहेड 3-5 μ का उपयोग करते हैं इसलिए, Cr, Yb, Ho: YSGG लेजर का विकास मध्य अवरक्त निर्देशित हथियार प्रतिवादों के लिए प्रभावी हस्तक्षेप प्रदान कर सकता है और इसका महत्वपूर्ण सैन्य महत्व है। चीन ने यटरबियम डोप्ड लेजर क्रिस्टल (Yb: YAG, Yb: FAP, Yb: SFAP, आदि) के क्षेत्र में अंतरराष्ट्रीय उन्नत स्तर के साथ अभिनव परिणामों की एक श्रृंखला हासिल की है, क्रिस्टल विकास और लेजर फास्ट, पल्स, निरंतर और समायोज्य आउटपुट जैसी प्रमुख तकनीकों को हल किया है। अनुसंधान के परिणामों को राष्ट्रीय रक्षा, उद्योग और वैज्ञानिक इंजीनियरिंग में लागू किया गया है, और यटरबियम डोप्ड क्रिस्टल उत्पादों को संयुक्त राज्य अमेरिका और जापान जैसे कई देशों और क्षेत्रों में निर्यात किया गया है।

यटरबियम लेजर सामग्री की एक अन्य प्रमुख श्रेणी लेजर ग्लास है। जर्मेनियम टेल्यूराइट, सिलिकॉन नियोबेट, बोरेट और फॉस्फेट सहित विभिन्न उच्च उत्सर्जन क्रॉस-सेक्शन लेजर ग्लास विकसित किए गए हैं। ग्लास मोल्डिंग की आसानी के कारण, इसे बड़े आकार में बनाया जा सकता है और इसमें उच्च प्रकाश संप्रेषण और उच्च एकरूपता जैसी विशेषताएं हैं, जिससे उच्च-शक्ति वाले लेजर का उत्पादन संभव है। परिचित दुर्लभ पृथ्वी लेजर ग्लास मुख्य रूप से इस्तेमाल किया जाता थाNeodymiumकांच, जिसका विकास इतिहास 40 से अधिक वर्षों का है और परिपक्व उत्पादन और अनुप्रयोग प्रौद्योगिकी है। यह हमेशा उच्च शक्ति वाले लेजर उपकरणों के लिए पसंदीदा सामग्री रही है और इसका उपयोग परमाणु संलयन प्रयोगात्मक उपकरणों और लेजर हथियारों में किया गया है। चीन में निर्मित उच्च शक्ति वाले लेजर उपकरण, जिसमें लेजर शामिल हैंNeodymiumमुख्य लेजर माध्यम के रूप में ग्लास का उपयोग दुनिया के सबसे उन्नत स्तर पर पहुंच गया है। लेकिन लेजर नियोडिमियम ग्लास को अब लेजर यटरबियम ग्लास से कड़ी चुनौती का सामना करना पड़ रहा है।

हाल के वर्षों में, बड़ी संख्या में अध्ययनों से पता चला है कि लेजर यटरबियम ग्लास के कई गुण अन्य ग्लास से बेहतर हैं।Neodymiumकांच। इस तथ्य के कारण कि यटरबियम डोप्ड ल्यूमिनेसेंस में केवल दो ऊर्जा स्तर होते हैं, ऊर्जा भंडारण दक्षता अधिक होती है। समान लाभ पर, यटरबियम ग्लास में नियोडिमियम ग्लास की तुलना में 16 गुना अधिक ऊर्जा भंडारण दक्षता होती है, और फ्लोरोसेंस जीवनकाल नियोडिमियम ग्लास से 3 गुना अधिक होता है। इसमें उच्च डोपिंग सांद्रता, अवशोषण बैंडविड्थ जैसे लाभ भी हैं, और इसे सीधे अर्धचालकों द्वारा पंप किया जा सकता है, जिससे यह उच्च-शक्ति वाले लेज़रों के लिए बहुत उपयुक्त हो जाता है। हालाँकि, यटरबियम लेज़र ग्लास का व्यावहारिक अनुप्रयोग अक्सर नियोडिमियम की सहायता पर निर्भर करता है, जैसे कि कमरे के तापमान पर संचालित करने के लिए एक सेंसिटाइज़र के रूप में Nd3+ का उपयोग करना और μ लेज़र उत्सर्जन m तरंग दैर्ध्य पर प्राप्त किया जाता है। इसलिए, लेज़र ग्लास के क्षेत्र में यटरबियम और नियोडिमियम दोनों प्रतिस्पर्धी और सहयोगी भागीदार हैं।

कांच की संरचना को समायोजित करके, यटरबियम लेजर ग्लास के कई ल्यूमिनसेंट गुणों में सुधार किया जा सकता है। मुख्य दिशा के रूप में उच्च शक्ति वाले लेजर के विकास के साथ, यटरबियम लेजर ग्लास से बने लेजर का उपयोग आधुनिक उद्योग, कृषि, चिकित्सा, वैज्ञानिक अनुसंधान और सैन्य अनुप्रयोगों में तेजी से व्यापक रूप से किया जा रहा है।

सैन्य उपयोग: परमाणु संलयन द्वारा उत्पन्न ऊर्जा का ऊर्जा के रूप में उपयोग करना हमेशा से एक अपेक्षित लक्ष्य रहा है, और नियंत्रित परमाणु संलयन प्राप्त करना मानवता के लिए ऊर्जा समस्याओं को हल करने का एक महत्वपूर्ण साधन होगा। यटरबियम डोप्ड लेजर ग्लास अपने उत्कृष्ट लेजर प्रदर्शन के कारण 21वीं सदी में जड़त्वीय परिरोध संलयन (ICF) उन्नयन प्राप्त करने के लिए पसंदीदा सामग्री बन रहा है।

लेजर हथियार लक्ष्य पर हमला करने और उसे नष्ट करने के लिए लेजर बीम की विशाल ऊर्जा का उपयोग करते हैं, अरबों डिग्री सेल्सियस का तापमान पैदा करते हैं और सीधे प्रकाश की गति से हमला करते हैं। उन्हें नादाना के रूप में संदर्भित किया जा सकता है और उनमें बहुत अधिक मारक क्षमता होती है, विशेष रूप से युद्ध में आधुनिक वायु रक्षा हथियार प्रणालियों के लिए उपयुक्त। यटरबियम डोप्ड लेजर ग्लास के उत्कृष्ट प्रदर्शन ने इसे उच्च शक्ति और उच्च प्रदर्शन वाले लेजर हथियारों के निर्माण के लिए एक महत्वपूर्ण बुनियादी सामग्री बना दिया है।

फाइबर लेजर एक तेजी से विकसित हो रही नई तकनीक है और यह लेजर ग्लास एप्लीकेशन के क्षेत्र से भी संबंधित है। फाइबर लेजर एक लेजर है जो फाइबर को लेजर माध्यम के रूप में उपयोग करता है, जो फाइबर और लेजर तकनीक के संयोजन का एक उत्पाद है। यह एरबियम डोप्ड फाइबर एम्पलीफायर (EDFA) तकनीक के आधार पर विकसित एक नई लेजर तकनीक है। एक फाइबर लेजर पंप स्रोत के रूप में एक अर्धचालक लेजर डायोड, एक फाइबर ऑप्टिक वेवगाइड और एक लाभ माध्यम, और झंझरी फाइबर और कपलर जैसे ऑप्टिकल घटकों से बना होता है। इसे ऑप्टिकल पथ के यांत्रिक समायोजन की आवश्यकता नहीं होती है, और तंत्र कॉम्पैक्ट और एकीकृत करने में आसान होता है। पारंपरिक सॉलिड-स्टेट लेजर और सेमीकंडक्टर लेजर की तुलना में, इसमें उच्च बीम गुणवत्ता, अच्छी स्थिरता, पर्यावरणीय हस्तक्षेप के लिए मजबूत प्रतिरोध, कोई समायोजन नहीं, कोई रखरखाव नहीं, और कॉम्पैक्ट संरचना जैसे तकनीकी और प्रदर्शन लाभ हैं। इस तथ्य के कारण कि डोप किए गए आयन मुख्य रूप से Nd+3, Yb+3, Er+3, Tm+3, Ho+3 हैं, जिनमें से सभी लाभ मीडिया के रूप में दुर्लभ पृथ्वी फाइबर का उपयोग करते हैं, कंपनी द्वारा विकसित फाइबर लेजर को दुर्लभ पृथ्वी फाइबर लेजर भी कहा जा सकता है।

लेजर अनुप्रयोग: हाल के वर्षों में अंतर्राष्ट्रीय स्तर पर सॉलिड-स्टेट लेजर तकनीक में हाई पावर यटरबियम डोप्ड डबल क्लैड फाइबर लेजर एक लोकप्रिय क्षेत्र बन गया है। इसमें अच्छी बीम गुणवत्ता, कॉम्पैक्ट संरचना और उच्च रूपांतरण दक्षता के फायदे हैं, और औद्योगिक प्रसंस्करण और अन्य क्षेत्रों में व्यापक अनुप्रयोग संभावनाएं हैं। डबल क्लैड यटरबियम डोप्ड फाइबर सेमीकंडक्टर लेजर पंपिंग के लिए उपयुक्त हैं, उच्च युग्मन दक्षता और उच्च लेजर आउटपुट पावर के साथ, और यटरबियम डोप्ड फाइबर की मुख्य विकास दिशा हैं। चीन की डबल क्लैड यटरबियम डोप्ड फाइबर तकनीक अब विदेशी देशों के उन्नत स्तर के बराबर नहीं है। चीन में विकसित यटरबियम डोप्ड फाइबर, डबल क्लैड यटरबियम डोप्ड फाइबर और एर्बियम यटरबियम सह डोप्ड फाइबर प्रदर्शन और विश्वसनीयता के मामले में समान विदेशी उत्पादों के उन्नत स्तर पर पहुंच गए हैं, लागत लाभ हैं, और कई उत्पादों और विधियों के लिए कोर पेटेंट तकनीक है।

विश्व प्रसिद्ध जर्मन आईपीजी लेजर कंपनी ने हाल ही में घोषणा की कि उनके नए लॉन्च किए गए यटरबियम डोप्ड फाइबर लेजर सिस्टम में उत्कृष्ट बीम विशेषताएं हैं, 50000 घंटे से अधिक का पंप जीवन, 1070nm-1080nm का केंद्रीय उत्सर्जन तरंगदैर्ध्य और 20KW तक की आउटपुट पावर है। इसे फाइन वेल्डिंग, कटिंग और रॉक ड्रिलिंग में लगाया गया है।

लेजर सामग्री लेजर प्रौद्योगिकी के विकास के लिए मूल और आधार हैं। लेजर उद्योग में हमेशा से एक कहावत रही है कि 'सामग्री की एक पीढ़ी, उपकरणों की एक पीढ़ी'। उन्नत और व्यावहारिक लेजर उपकरणों को विकसित करने के लिए, पहले उच्च-प्रदर्शन वाली लेजर सामग्री का होना और अन्य प्रासंगिक तकनीकों को एकीकृत करना आवश्यक है। यटरबियम डोप्ड लेजर क्रिस्टल और लेजर ग्लास, ठोस लेजर सामग्री की नई शक्ति के रूप में, फाइबर ऑप्टिक संचार और लेजर प्रौद्योगिकी के अभिनव विकास को बढ़ावा दे रहे हैं, विशेष रूप से अत्याधुनिक लेजर प्रौद्योगिकियों जैसे कि उच्च-शक्ति परमाणु संलयन लेजर, उच्च-ऊर्जा बीट टाइल लेजर और उच्च-ऊर्जा हथियार लेजर में।

इसके अलावा, यटरबियम का उपयोग फ्लोरोसेंट पाउडर एक्टिवेटर, रेडियो सिरेमिक, इलेक्ट्रॉनिक कंप्यूटर मेमोरी घटकों (चुंबकीय बुलबुले) के लिए एडिटिव्स और ऑप्टिकल ग्लास एडिटिव्स के रूप में भी किया जाता है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि यट्रियम और यट्रियम दोनों दुर्लभ पृथ्वी तत्व हैं। हालाँकि अंग्रेजी नामों और तत्व प्रतीकों में महत्वपूर्ण अंतर हैं, चीनी ध्वन्यात्मक वर्णमाला में समान शब्दांश हैं। कुछ चीनी अनुवादों में, यट्रियम को कभी-कभी गलती से यट्रियम के रूप में संदर्भित किया जाता है। इस मामले में, हमें पुष्टि करने के लिए मूल पाठ का पता लगाने और तत्व प्रतीकों को संयोजित करने की आवश्यकता है।