國內(nèi)稀有金屬銣銫及其化合物的應(yīng)用

吳建江

（新疆有色金屬研究所，新疆烏魯木齊 830000）

0 前言

隨著全球科學(xué)技術(shù)研究的不斷深入，銫銣及其化合物的應(yīng)用研究方興未艾，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，世界銣銫產(chǎn)品的應(yīng)用大國主要是在美國、德國和日本這三個國家，應(yīng)用的領(lǐng)域主要在有機催化劑和高科技應(yīng)用等兩大方面。隨著人類科技的進步也逐步擴大銣銫及其化合物的適用行業(yè)領(lǐng)域，獨特的化學(xué)性質(zhì)在國內(nèi)稀有金屬的應(yīng)用研究具有不可代替性，對發(fā)展部分行業(yè)經(jīng)濟和軍事戰(zhàn)略有著特殊意義。現(xiàn)代化發(fā)展以來國內(nèi)對銣銫應(yīng)用領(lǐng)域研究，尤其是在高新技術(shù)行業(yè)的科技成果轉(zhuǎn)化，加速了全球銣銫行業(yè)的快速發(fā)展，現(xiàn)今國內(nèi)外對銣銫及其化合物的分離提純方法從最原始的分布結(jié)晶法到現(xiàn)在的萃取法、離子交換法、沉淀法等。

1 稀有金屬銣及其化合物的應(yīng)用研究

1.1 空間技術(shù)的時間、頻率標(biāo)準

在我國全球定位系統(tǒng)（GPS）、無線通訊、人造衛(wèi)星發(fā)射系統(tǒng)和導(dǎo)彈系統(tǒng)等空間技術(shù)對時間基準長、技術(shù)精度、短期和采用頻率的準確性、穩(wěn)定性都有高要求，經(jīng)科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)銣銫的輻射頻率能在長時間內(nèi)保持穩(wěn)定性。采用銣原子頻標(biāo)生產(chǎn)的原子鐘，利用的是基態(tài)超精細能級之間的躍遷，具有體積小、精度高、重量低、時間誤差小、穩(wěn)定性好、能耗低等優(yōu)點。

1.2 銣銫在新型能源的應(yīng)用

銣銫的化學(xué)性質(zhì)活潑因此銣極易離子化，現(xiàn)今銣在磁流體發(fā)電機和熱離子轉(zhuǎn)換發(fā)電等高新技術(shù)方面的應(yīng)用越來越成熟。熱離子轉(zhuǎn)換發(fā)電機采用二極真空管的工作原理，即熱電效應(yīng)直接將熱能轉(zhuǎn)為電能，在這個過程中可極大的降低電極帶來的熱量損失，從而增加換流器電量的輸出。磁流體發(fā)電是一種新型發(fā)電方式，不同于其他發(fā)電方式的是磁流體發(fā)電以含銣材料作為發(fā)電機的材料，大幅度提高熱能轉(zhuǎn)化為電能的效率。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計我國核電站熱效率約在30%左右，而利用含銫材料作為發(fā)電機總熱效率可達到60%以上。在航空事業(yè)上采用銣離子火箭、宇宙飛船的離子推進材料，航程相當(dāng)于固、液體燃料的150倍。

1.3 作為特種玻璃制作的添加劑

含銣元素的特種玻璃在光纖通訊、夜視裝置等行業(yè)的應(yīng)用前景廣闊。這種特種玻璃的制作是現(xiàn)在銣化合物應(yīng)用最為普遍的行業(yè)之一，在制作特種玻璃中加入碳酸銣添加劑對增加玻璃穩(wěn)定性和使用時間具有重要作用，同時也可以降低玻璃的導(dǎo)電性。

1.4 在電子領(lǐng)域的特殊用途

銣銫的化學(xué)性質(zhì)活潑，應(yīng)用于電子領(lǐng)域能表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電（導(dǎo)熱性）和光電特性。銣銫原子結(jié)構(gòu)最外層電子只有1個，在可見光能量和光電磁輻射作用下非常容易使原子電離而釋放自由電子，使得銣銫及其化合物在眾多電子行業(yè)領(lǐng)域里有著重要而獨特的用途。銣是導(dǎo)彈合金材料和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的重要元素，在工業(yè)生產(chǎn)中銣化合物和合金是制造光電倍增管、光電池、原子鐘的組成元素和紅外技術(shù)的必需材料。1999年設(shè)計的原子鐘功能基于的恒定原子共振，它也被用于更接近間距的數(shù)據(jù)包，倍增光纖電纜系統(tǒng)的能力，時間精確到200 萬年一秒。銫的低電離勢被用于光電管設(shè)計以及電子學(xué)中的光電發(fā)射和閃爍裝置。實驗證明，銫蒸氣激光計算機是用于海底探測和礦產(chǎn)勘查地球物理的磁力儀的常用設(shè)備。它目前用于紅外光學(xué)，并正在發(fā)現(xiàn)越來越多的應(yīng)用在太陽能電池技術(shù)。

1.5 醫(yī)藥行業(yè)的研究應(yīng)用

銣鹽和銫鹽在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用已趨于成熟，銫化合物在生物醫(yī)學(xué)和化學(xué)研究中用作催化劑，并用于標(biāo)記或追蹤化合物。在醫(yī)學(xué)上最著名的用途是在液體中作為脫氧核糖核酸（DNA）分離過程中的密度梯度介質(zhì)。一些銣鹽可作為鎮(zhèn)靜劑和使用含砷藥品后的抗休克制劑。最近發(fā)現(xiàn)氯化銫對治療各種癌癥有效，并顯示出作為這種疾病的新療法的巨大潛力。

2 金屬銫及其化合物的重要應(yīng)用

2.1 放射治療

銫-137 是金屬銫同位素之一，放射性極強常作為放射源，是治療腫瘤的一種常用方法，主要是利用射線對人體內(nèi)的染色體發(fā)生斷裂或者畸變，誘使細胞中DNA 發(fā)生變異和突變，使腫瘤細胞及其子代細胞失去活力，電離輻射對處于分裂期細胞和分化程度低的細胞比較有效而引起細胞失活，因此在現(xiàn)代醫(yī)療可用放射治療的方法治愈或抑制惡性腫瘤。銫-137在組織內(nèi)具有鐳相同的穿透能力和類似的劑量分布，其物理特點和防護方面比鐳優(yōu)越，是取代鐳的最好同位素。

2.2 銫原子鐘

為了確定航天器與地球的距離導(dǎo)航員向航天器發(fā)送信號，由于信號以已知的光速進行轉(zhuǎn)播，因此通過信號往返的時間便能夠計算出距離，通過發(fā)送多個信號并進行多次測量就可以計算出航天器的軌跡。石英鐘并不穩(wěn)定，一小時后石英振蕩器會偏離至少1 納秒;六周后可能會偏離1 毫秒，即距離偏離300公里，這對測量快速移動的航天器的位置有著非常大的影響。原子鐘將石英晶體振蕩器與銫原子集合相結(jié)合，從而實現(xiàn)更高的穩(wěn)定性。NASA 的深空原子鐘在四天后偏離不到1 納秒，在十年后偏離不到1微秒，每2000萬年僅偏離不到1秒。隨著第5代移動技術(shù)（5G）時代的到來，對原子鐘的需求將會隨著基站數(shù)量的增加而提升。根據(jù)綠色和平組織預(yù)測，“十四五”期間我國5G 基站數(shù)量將保持63.6%的年復(fù)合增長率，2025 年將達到800 萬站。雖然每臺原子鐘里銣銫用量僅為克級，但由于基站數(shù)量龐大，外加原子鐘的應(yīng)用已滲透至多個領(lǐng)域，未來原子鐘對銣銫的需求將會成為銣銫下游需求的增長點之一。

3 結(jié)論

在工業(yè)社會高速發(fā)展的時代，銣銫資源在現(xiàn)代高新科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛，在部分行業(yè)經(jīng)濟和軍事戰(zhàn)略方面有著不可替代的重要作用。隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，可以預(yù)見在未來全球?qū)︺滀C及其化合物的用量呈現(xiàn)上升的趨勢，銣銫及其化合物的應(yīng)用市場前景廣闊。在市場需求量不斷擴大的基礎(chǔ)上，促使越來越多的科技工作者加入分離提純銣銫工藝和擴大應(yīng)用范圍的研究行列。在經(jīng)過數(shù)十年的科技投入，離子交換法、溶液萃取法、沉淀法等新興的實驗室分離技術(shù)趨于成熟，提純的銣銫質(zhì)量的提取率得到很大的提升，如何在現(xiàn)有的科技成果研究的基礎(chǔ)上創(chuàng)新提純技術(shù)，拓展銣銫及其化合物在行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域是今后學(xué)術(shù)研究的重點方向。