イッテルビウム原子番号70、原子量173.04、発見場所に由来する元素名。イッテルビウム地殻中の含有量は0.000266%で、主にリン光石と黒色稀少金鉱床に存在し、モナザイトの含有量は0.03%で、7つの天然同位体が含まれています。
歴史の発見
発見者: マリナック
時間: 1878
所在地: スイス
1878年、スイスの化学者ジャン・シャルルとG・マリニャックは、新たな希土類元素「エルビウム」を発見しました。1907年、ウルバンとヴァイルスは、マリニャックがルテチウム酸化物とイッテルビウム酸化物の混合物を分離したことを指摘しました。イットリウム鉱石が発見されたストックホルム近郊の小さな村、イッテルビーにちなんで、この新元素はイッテルビウムと命名され、記号はYbとなりました。
電子配置
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14
金属
金属イッテルビウム銀灰色で延性があり、柔らかい質感です。室温では、イッテルビウムは空気と水によってゆっくりと酸化されます。
結晶構造は2種類あります。α型は面心立方晶系（室温-798℃）で、β型は体心立方晶系（798℃以上）です。融点は824℃、沸点は1427℃、相対密度は6.977（α型）、6.54（β型）。
冷水には不溶、酸および液体アンモニアには可溶。空気中では非常に安定している。サマリウムやユーロピウムと同様に、イッテルビウムは価数可変の希土類元素に属し、通常は三価であるが、二価の状態をとることもある。
この可変価特性のため、金属イッテルビウムの調製は電気分解ではなく、還元蒸留法によって行われ、精製される。通常、ランタン金属イッテルビウム金属の高い蒸気圧とランタン金属の低い蒸気圧の差を利用して、還元蒸留の還元剤として使用される。あるいは、ツリウム, イッテルビウム、 そしてルテチウム濃縮物は原料として、金属ランタンは還元剤として使用できます。1100℃以上、0.133Pa以下の高温真空条件下では、還元蒸留により金属イッテルビウムを直接抽出できます。サマリウムそしてユーロピウム、イッテルビウムは湿式還元によっても分離・精製できます。通常、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウムの濃縮物が原料として用いられます。溶解後、イッテルビウムは二価に還元され、特性に大きな違いが生じます。その後、他の三価希土類元素と分離されます。高純度イッテルビウム酸化物の製造は、通常、抽出クロマトグラフィーまたはイオン交換法によって行われます。
応用
特殊合金の製造に使用されます。イッテルビウム合金歯科医療において冶金学や化学実験に応用されてきました。
近年、イッテルビウムは光ファイバー通信やレーザー技術の分野で登場し、急速に発展しました。
「情報ハイウェイ」の構築と発展に伴い、コンピュータネットワークや長距離光ファイバー伝送システムでは、光通信に使用される光ファイバー材料の性能に対する要求がますます高まっています。イッテルビウムイオンは、その優れたスペクトル特性により、光通信用光ファイバー増幅材料として使用することができます。エルビウムそしてツリウム希土類元素エルビウムは依然として光ファイバ増幅器の製造において主要な役割を果たしていますが、従来のエルビウム添加石英光ファイバは利得帯域幅が狭く（30nm）、高速・大容量情報伝送の要件を満たすことが困難です。Yb3+イオンは、980nm付近においてEr3+イオンよりもはるかに大きな吸収断面積を有しています。Yb3+の増感効果とエルビウムおよびイッテルビウムのエネルギー移動により、1530nmの光は大幅に増幅され、光の増幅効率が大幅に向上します。
近年、エルビウム・イッテルビウム共添加リン酸塩ガラスが研究者の間でますます注目を集めています。リン酸塩ガラスとフッ化リン酸塩ガラスは、優れた化学的・熱的安定性に加え、広い赤外線透過率と大きな非均一広がり特性を備えているため、広帯域・高利得エルビウム添加増幅用光ファイバーガラスの理想的な材料となっています。Yb3+添加光ファイバー増幅器は、電力増幅と小信号増幅を実現できるため、光ファイバーセンサー、自由空間レーザー通信、超短パルス増幅などの分野に適しています。中国は現在、世界最大の単一チャネル容量と最速速度の光伝送システムを構築しており、世界最長の情報ハイウェイを有しています。イッテルビウム添加などの希土類添加光ファイバー増幅器とレーザー材料は、これらの中で極めて重要な役割を果たしています。
イッテルビウムのスペクトル特性は、レーザー結晶、レーザーガラス、ファイバーレーザーなど、高品質のレーザー材料としても利用されています。高出力レーザー材料として、イッテルビウムをドープしたレーザー結晶は、イッテルビウムをドープした結晶を含む膨大なシリーズを形成しています。イットリウムアルミニウムガーネット（Yb:YAG）、イッテルビウム添加ガドリニウムガリウムガーネット（Yb：GGG）、イッテルビウムドープフッ化リン酸カルシウム（Yb：FAP）、イッテルビウムドープフッ化リン酸ストロンチウム（Yb：S-FAP）、イッテルビウムドープバナデートイットリウム（Yb：YV04）、イッテルビウムドープホウ酸塩、ケイ酸塩。半導体レーザー（LD）は、固体レーザー用の新しいタイプのポンプ源です。Yb：YAGは、高出力LDポンピングに適した多くの特性を備えており、高出力LDポンピング用のレーザー材料となっています。Yb：S-FAP結晶は、将来、レーザー核融合用のレーザー材料として使用される可能性があり、注目を集めています。波長可変レーザー結晶には、波長が2.84～3.05μmのクロム、イッテルビウム、ホルミウム、イットリウム、アルミニウム、ガリウム、ガーネット（Cr、Yb、Ho：YAGG）があり、連続的に調整可能です。統計によると、世界中のミサイルに使用されている赤外線弾頭のほとんどは3～5μmを使用しています。そのため、Cr、Yb、Ho：YSGGレーザーの開発は、中赤外線誘導兵器の対抗手段に効果的な干渉を提供することができ、重要な軍事的意義を持っています。中国はイッテルビウム添加レーザー結晶（Yb：YAG、Yb：FAP、Yb：SFAPなど）の分野で国際的に先進的なレベルの一連の革新的な成果を達成し、結晶成長やレーザーの高速、パルス、連続、調整可能な出力などのキーテクノロジーを解決しました。研究成果は国防、産業、科学工学分野に応用され、イッテルビウム添加結晶製品は米国や日本など多くの国や地域に輸出されている。
イッテルビウムレーザー材料のもう一つの主要なカテゴリーはレーザーガラスです。テルル酸ゲルマニウム、ニオブ酸シリコン、ホウ酸塩、リン酸塩など、様々な高発光断面積レーザーガラスが開発されています。ガラス成形が容易なため大型化が可能で、高い光透過率や均一性といった特性を有し、高出力レーザーの製造が可能です。かつてよく知られていた希土類レーザーガラスは、主にネオジム40年以上の開発実績と成熟した生産・応用技術を有するガラスは、高出力レーザー装置に常に好まれる材料であり、核融合実験装置やレーザー兵器に利用されてきました。中国で製造された高出力レーザー装置は、レーザーネオジムレーザー媒体として使用されるレーザー用ネオジムガラスは、世界最先端のレベルに達しています。しかし、レーザー用イッテルビウムガラスからの強力な脅威に直面しています。
近年、多くの研究により、レーザーイッテルビウムガラスの多くの特性が、ネオジムガラスです。イッテルビウムをドープした発光は2つのエネルギー準位しかないため、エネルギー貯蔵効率が高いです。同じ利得で、イッテルビウムガラスのエネルギー貯蔵効率はネオジムガラスの16倍高く、蛍光寿命はネオジムガラスの3倍です。また、ドーピング濃度が高く、吸収帯域幅が広く、半導体で直接励起できるため、高出力レーザーに非常に適しています。しかし、イッテルビウムレーザーガラスの実用化は、ネオジムの助けを借りることが多く、例えばNd3+を増感剤として使用してイッテルビウムレーザーガラスを室温で動作させ、μm波長でレーザー発光を実現します。そのため、イッテルビウムとネオジムは、レーザーガラスの分野において競合相手であると同時に協力パートナーでもあります。
ガラス組成を調整することで、イッテルビウムレーザーガラスの多くの発光特性を向上させることができます。高出力レーザーの開発が主な方向性となっているため、イッテルビウムレーザーガラス製のレーザーは、現代産業、農業、医療、科学研究、軍事用途においてますます広く利用されています。
軍事利用：核融合によって生成されるエネルギーをエネルギーとして利用することは、常に期待されてきた目標であり、制御された核融合の実現は、人類がエネルギー問題を解決するための重要な手段となるでしょう。イッテルビウム添加レーザーガラスは、その優れたレーザー性能により、21世紀の慣性閉じ込め核融合（ICF）のアップグレードを実現するための最適な材料になりつつあります。
レーザー兵器は、レーザー光線の莫大なエネルギーを利用して標的を攻撃・破壊します。数十億度の熱を発生させ、光速で直接攻撃します。ナダナとも呼ばれ、高い殺傷力を有し、特に現代の防空兵器システムにおける戦争に適しています。イッテルビウム添加レーザーガラスは優れた性能を有しており、高出力・高性能レーザー兵器の製造における重要な基礎材料となっています。
ファイバーレーザーは急速に発展している新技術であり、レーザーガラス応用分野にも属しています。ファイバーレーザーは、ファイバーをレーザー媒体とするレーザーであり、ファイバー技術とレーザー技術の融合によって誕生しました。エルビウムドープ光ファイバー増幅器（EDFA）技術を基盤として開発された新しいレーザー技術です。ファイバーレーザーは、励起光源としての半導体レーザーダイオード、光ファイバー導波路、利得媒体、そしてグレーティングファイバーやカプラなどの光学部品で構成されています。光路の機械的な調整が不要で、機構がコンパクトで集積化が容易です。従来の固体レーザーや半導体レーザーと比較して、高いビーム品質、優れた安定性、環境干渉に対する強い耐性、無調整・無メンテナンス、コンパクトな構造など、技術的・性能的な優位性を有しています。添加イオンは主にNd+3、Yb+3、Er+3、Tm+3、Ho+3であり、いずれも利得媒体として希土類ファイバーを使用しているため、当社が開発したファイバーレーザーは希土類ファイバーレーザーとも呼ばれています。
レーザー応用：高出力イッテルビウム添加ダブルクラッド光ファイバーレーザーは、近年、国際的に固体レーザー技術のホット分野となっている。良好なビーム品質、コンパクトな構造、高い変換効率などの利点があり、工業加工などの分野で幅広い応用展望を持っている。ダブルクラッドイッテルビウム添加光ファイバーは、高い結合効率と高いレーザー出力を備え、半導体レーザーポンピングに適しており、イッテルビウム添加光ファイバーの主な発展方向となっている。中国のダブルクラッドイッテルビウム添加光ファイバー技術は、もはや海外の先進レベルに匹敵するものではない。中国で開発されたイッテルビウム添加光ファイバー、ダブルクラッドイッテルビウム添加光ファイバー、エルビウム・イッテルビウム共添加光ファイバーは、性能と信頼性の面で同様の海外製品の先進レベルに達しており、コスト面で優位性があり、複数の製品と方法の核心特許技術を有している。
世界的に有名なドイツのレーザーメーカー、IPGは先日、新たに発売したイッテルビウム添加ファイバーレーザーシステムを発表しました。このシステムは優れたビーム特性、50,000時間を超える励起寿命、1070nm～1080nmの中心発光波長、最大20kWの出力を誇ります。このシステムは、精密溶接、切断、岩盤掘削などに応用されています。
レーザー材料は、レーザー技術発展の中核であり、基盤です。レーザー業界では古くから「材料一世代、デバイス一世代」という言葉が用いられてきました。先進的で実用的なレーザーデバイスを開発するには、まず高性能なレーザー材料を保有し、その他の関連技術を統合する必要があります。イッテルビウム添加レーザー結晶とレーザーガラスは、固体レーザー材料の新たな力として、光ファイバー通信とレーザー技術の革新的な発展を促進しており、特に高出力核融合レーザー、高エネルギービートタイルレーザー、高エネルギー兵器レーザーといった最先端レーザー技術において大きな役割を果たしています。
さらに、イッテルビウムは蛍光粉末活性剤、電波セラミックス、電子コンピュータメモリ部品（磁気バブル）の添加剤、光学ガラス添加剤としても使用されています。なお、イットリウムとイットリウムはどちらも希土類元素です。英語名と元素記号には大きな違いがありますが、中国語の音節表記は同じです。一部の中国語訳では、イットリウムが誤ってイットリウムと表記されていることがあります。この場合、原文を辿り、元素記号を組み合わせて確認する必要があります。
投稿日時: 2023年9月13日