铷铯及其化合物及应用

1、铷/ 铯及其化合物的应用由于铷铯具有独特的性质， 使其在许多领域中有着重要的用途， 不但有许多 传统的应用领域，而且还出现了一些新的应用领域， 特别是在一些高科技领域中， 铷铯显示出了越来越重要的作用。铷铯在电子器件、催化剂、特种玻璃、生物化 学及医药等传统应用领域中，近 10 年来有较大的发展；而在磁流体发电、热离 子转化发电、 离子推进发动机、 激光能转换电能装置、 铯离子云通讯等新应用领 域中，铷铯也显示了强劲的生命力。4.1 铷及其化合物的应用 长期以来，由于金属铷化学性质比钾还要活泼，在空气中能自燃，其生产、 贮存及运输都必须严密隔绝空气保存在液体石蜡、 惰性气体或真空中， 因而制约

2、 了其在一般工业应用领域的开发研究和大量使用。然而，随着人类科学技术的发展和对铷应用开发研究的不断深入，近 15 年 来，除在一些传统的应用领域，如电子器件、催化剂及特种玻璃等，有了一定发 展的同时， 许多新的应用领域也不断出现，特别是在一些高科技领域，显示了 广阔的应用前景。以下综述了利用铷及其化合物的一些特性， 在一些传统和高 科技领域内的应用现状。4.1.1 作为频率标准和时间标准 人造地球卫星的发射系统、导航、运载火箭导航、导弹系统、无线通讯、电 视转播、 收发分置雷达、全球定位系统 (GPS) 等空间技术的发展对所采用频率 与时间基准的长、 短期准确度和稳定性要求越来越高。 由于铷辐

3、射频率具有长时 间的稳定性， 87Rb 原子的共振频率被频率标准确定为基准频率。 用作频率标准和 时间标准的铷原子频标具有低漂移、高稳定性、抗辐射、体积小、重量轻、功耗 低等特点。准确度极高的铷原子钟，在 370 万年中的走时误差不超过 1s。气泡铷原子频标已成为目前应用最广泛的原子频标。 其价格比铯原子频标低 得多， 比晶体频标的长期稳定性更好、准确度更高，可适应各种空间使用的要 求。自 1985 年首次应用于军用通信卫星后，世界上所发射的卫星很大部分采用 铷原子频标作为星载频标。星载铷原子频标与普通商用或军用的铷原子频标相 比，在性能上有了很大提高，能更好地适应空间应用的需要。目前，全球定

4、位系统 (GPS )的极高准确性很大程度上依赖于其上所装载的频 率标准性能。此类器件中性能最好的是美国 PerkinElmer 公司为 GPS 导航卫星 开发的超高性能高稳定铷原子频标 (RAFS ) 。双泡铷微波激射器是当前正在开发的新型高稳定性振荡器。 它作为全球卫星 定位系统 GPS的改进时钟， 将提高地球同步宇宙飞船的定位精度和飞船 GPS系 统的稳定性。 随着我国空间技术的发展， 迫切需要研究开发我国的高性能铷原子 频标。4.1.2 能源利用铷易于离子化的特点， 多年来国内外在离子推进火箭、 磁流体发电、 热 离子转换发电等方面的应用作了大量研究工作，并有了一些重要的发展。磁流体发电

5、是把热能直接转换成电能的一种新型发电方式。 用含铷及其化合 物作磁流体发电机的发电材料 ( 导电体 )，可获得较高热效率。如一般核电站的总 热效率为 29% 32%，而结合磁流体发电可使核电站总热效率提高到 55%66% 热离子发电是利用二极真空管的原理， 把热能直接变为电能。 由于离子化铷 能中和电极之间的空间电荷，因此，实际上提高了发射极的电子发射速度， 减 少了集电极的能量损失等，即增加了换流器的能量输出。如用铷和铯制作(含铷涂层电极 ) 的热电换能器，与原子反应堆联用时，可在原子反应堆的内部实现热 离子热核发电。铷可用在空间飞行器的 “离子推进发动机” 中。以铷和铯作为材料的离子推 进

6、火箭，运行速度可达到 1.6X105k mh -1； 一艘携带有 500g铯和铷的离子推 进宇宙飞船，其航程是当今使用固体或液体燃料的约 150 倍。4.1.3 特种玻璃含铷特种玻璃是当前铷应用的主要市场之一。 碳酸铷常用作生产这些玻璃特 种的添加剂，可降低玻璃导电率、 增加玻璃稳定性和使用寿命等。含铷特种玻 璃已广泛使用在光纤通讯和夜视装置等方面。4.1.4 电子由于铷原子失去价电子非常容易， 可见光的能量就足以使原子电离， 受光电 磁辐射作用下表面释放自由电子， 显示出优良的光电特性、 导电性、 导热性及强 烈的化学活性， 使它们在众多技术领域中有着非常独特的用途。通常铷化合物 和合金是制

7、造光电池、 光电发射管、 原子钟、 电视摄像管和光电倍增管的重要材 料，也是红外技术的必需材料，如锑化铷、碲化铷、铷铯锑合金等。使用了铷碲 表面的光电发射管常被安装在不同电子探测和激活装置内， 在宽辐射光谱范围内 仍具有高灵敏度。 铷铯锑涂层常用在光电倍增管阴极上， 用于辐射探测设备、 医 学影像设备和夜视设备等。 利用这些光电管、 光电池可以实现一系列自动控制。碘化铷银 RbAg4I5是良好的电子导体， 是已知离子型晶体中室温电导率最高 的。在环境温度下，其电导率与稀硫酸相当，可用作固体电池的电解质，如薄膜 电池。4.1.5 医学氯化铷和其他几种铷盐用于 DNA 和 RNA 超速离心分离过程

8、中的密度梯度 介质； 放射性铷可用于血流放射性示踪；碘化铷有时取代碘化钾用于治疗甲状 腺肿大；一些铷盐可作为镇静剂、 使用含砷药物后的抗休克制剂和癫痫病治疗等。4.1.6 其他方面铷及其化合物除上述应用领域外，还具有下列一些典型应用：铷及其与钾、 钠、铯形成的合金可作为真空电子管中痕量气体的吸气剂和除去高真空系统中残 余气体的除气剂。铷作为化学示踪剂，示踪不同种类的生产物品。87Rb 衰变成86Sr 已广泛应用于鉴别岩石和矿物年代。氯化铷用于钠、铱、钛、锆和过氯酸盐的分析；硝酸铷可作为分析试剂、氧 化剂、环境控制分析中放射性物质检测等。氯化铷、碳酸铷是制备金属铷、其它 铷盐和同位素分离等的主要

9、原料。铷及其一些铷盐还可作为化工中一些有机化学反应的催化剂、 陶瓷工业中的 添加剂。金属铷是制取其他高纯铷盐和铷单晶的基础原料。随着国内外高新技术产业的迅猛发展， 铷及其化合物的一些独特特性已显示 出极大的应用前景和重要的科学与商业价值， 特别是在航天航空、 能源和国防工 业等领域的应用需求有不断增加之态势，显示了强大的生命力。目前，发达国家铷的应用主要集中在高科技领域， 有 80%的铷用于开发高新 技术，只有 20%的铷用于传统应用领域。 特别值得一提的是， 随着世界能源日趋 紧缺，人们都在寻求新的能量转换方式， 以提高效率和节约燃料， 减少环境污染。铷在新能量转换中的应用显示了光明的前景，

10、并已引起世界能源界的注目。4.2 铯及其化合物的应用铯通常以其化合物和合金形式用于电子管和光电池中。由于铯很容易电离， 它的主要工业用被用作离子火箭发动机、信息产业、核能源、航天技术、荧光材 料、光学晶体、医药、催化剂等领域，也用于光电池，原子钟和红外灯、光电倍 增管和电视摄象管以及用作真空管的吸气剂， 作为空气去除剂， 用于除去真空管 中的痕量空气。由钠和铊激活的碘化铯可制作工业和医疗用的 x 射线图象放大 板或荧光屏。铯可用于制作铯原子钟， 70 年代铯原子钟的准确度已经达到 500 万年误差仅一秒的水平。在现代科技领域 ，铯是应用前景十分广阔的轻稀有金 属。4.2.1 铯原子钟原子时是以

11、秒， 而不是以日为基本时间单位的， 原子时秒长定义为： 铯原子 基态的两个超精细能级间在零磁场下跃迁辐射 9192631770 周所持续的时间。 1967 年第十三届国际计量委员会决定，把在海平面上实现的上述原子时秒规定 为国际单位制时间单位。原子时起点定在 1958年 1月1日0时 （UT） ，即规定 在这一瞬间，原子时和世界时重合。根据这一定义 ，任何铯原子钟在确定起始 历元后都可以提供原子时。 由世界各地时间实验室用足够精确的铯原子钟导出的 原子时称为地方原子时， 不同的地方原子时存在着差异。 世界各国的原子钟按照 规定的方法进行相互比对 ，其数据再由专门的国际机构进行处理，求出全世界

12、统一的原子时，称为国际原子时，简称 IAT 。铯原子钟是利用激光把铯原子冷却到接近绝对零度， 使其运动缓慢， 从而能 够进行精确的测定，铯的微波原子钟是现有时间测量最高标准精确度的原子钟。4.2.2 放射治疗利用射线对组织细胞中 DNA 促使变化，染色体畸变或断裂，液体电离产生 化学自由基， 终于会引起细胞或其子代失去活力达到破裂或抑制肿瘤生长。 分化 程度低的细胞和分裂期的细胞对电离辐射比较敏感而容易失活， 因此恶性肿瘤可 用放射线治疗。常用放射原有同位素 （ 镭、 60钴、 137铯）、X 线治疗机和粒子加速器 （产生 高能电子束，中子束等 ) ，分为外照射和内照射两类方法。临床上首选放射治疗 的肿瘤有：鼻咽癌、早期候癌、恶性淋巴瘤 ，尤文氏瘤、肺未分化癌等。乳癌、 肺癌、食管癌、皮肤癌、宫颈癌、鼻窦癌等，大多在术后或术前施行放射治疗。4.2.3 RAMON 钢水液面控制仪连铸机液面自动控制是实现连铸设备自动化的关键环节， 连铸机液面自动测 量和控制的最可靠的方法则是放射性同位素方法。在液面自动控制的众多方法中， RAM 铯源型钢水液面控制仪使用现代最新 科技成果，在结晶器侧面安装了“透视眼” ，是唯一一种直接测量钢水液面高度 值、不需要换算和近似计算的方法。 由于采用了严格的屏蔽保护措施， 保证了使 用中的绝对安全性。 与使用一般技术 的