国内稀有金属铷铯及其化合物的应用

吴建江

（新疆有色金属研究所，新疆乌鲁木齐 830000）

0 前言

随着全球科学技术研究的不断深入，铯铷及其化合物的应用研究方兴未艾，据相关数据统计，世界铷铯产品的应用大国主要是在美国、德国和日本这三个国家，应用的领域主要在有机催化剂和高科技应用等两大方面。随着人类科技的进步也逐步扩大铷铯及其化合物的适用行业领域，独特的化学性质在国内稀有金属的应用研究具有不可代替性，对发展部分行业经济和军事战略有着特殊意义。现代化发展以来国内对铷铯应用领域研究，尤其是在高新技术行业的科技成果转化，加速了全球铷铯行业的快速发展，现今国内外对铷铯及其化合物的分离提纯方法从最原始的分布结晶法到现在的萃取法、离子交换法、沉淀法等。

1 稀有金属铷及其化合物的应用研究

1.1 空间技术的时间、频率标准

在我国全球定位系统（GPS）、无线通讯、人造卫星发射系统和导弹系统等空间技术对时间基准长、技术精度、短期和采用频率的准确性、稳定性都有高要求，经科学研究发现铷铯的辐射频率能在长时间内保持稳定性。采用铷原子频标生产的原子钟，利用的是基态超精细能级之间的跃迁，具有体积小、精度高、重量低、时间误差小、稳定性好、能耗低等优点。

1.2 铷铯在新型能源的应用

铷铯的化学性质活泼因此铷极易离子化，现今铷在磁流体发电机和热离子转换发电等高新技术方面的应用越来越成熟。热离子转换发电机采用二极真空管的工作原理，即热电效应直接将热能转为电能，在这个过程中可极大的降低电极带来的热量损失，从而增加换流器电量的输出。磁流体发电是一种新型发电方式，不同于其他发电方式的是磁流体发电以含铷材料作为发电机的材料，大幅度提高热能转化为电能的效率。据相关数据统计我国核电站热效率约在30%左右，而利用含铯材料作为发电机总热效率可达到60%以上。在航空事业上采用铷离子火箭、宇宙飞船的离子推进材料，航程相当于固、液体燃料的150倍。

1.3 作为特种玻璃制作的添加剂

含铷元素的特种玻璃在光纤通讯、夜视装置等行业的应用前景广阔。这种特种玻璃的制作是现在铷化合物应用最为普遍的行业之一，在制作特种玻璃中加入碳酸铷添加剂对增加玻璃稳定性和使用时间具有重要作用，同时也可以降低玻璃的导电性。

1.4 在电子领域的特殊用途

铷铯的化学性质活泼，应用于电子领域能表现出良好的导电（导热性）和光电特性。铷铯原子结构最外层电子只有1个，在可见光能量和光电磁辐射作用下非常容易使原子电离而释放自由电子，使得铷铯及其化合物在众多电子行业领域里有着重要而独特的用途。铷是导弹合金材料和全球卫星定位系统的重要元素，在工业生产中铷化合物和合金是制造光电倍增管、光电池、原子钟的组成元素和红外技术的必需材料。1999年设计的原子钟功能基于的恒定原子共振，它也被用于更接近间距的数据包，倍增光纤电缆系统的能力，时间精确到200 万年一秒。铯的低电离势被用于光电管设计以及电子学中的光电发射和闪烁装置。实验证明，铯蒸气激光计算机是用于海底探测和矿产勘查地球物理的磁力仪的常用设备。它目前用于红外光学，并正在发现越来越多的应用在太阳能电池技术。

1.5 医药行业的研究应用

铷盐和铯盐在医学中的应用已趋于成熟，铯化合物在生物医学和化学研究中用作催化剂，并用于标记或追踪化合物。在医学上最著名的用途是在液体中作为脱氧核糖核酸（DNA）分离过程中的密度梯度介质。一些铷盐可作为镇静剂和使用含砷药品后的抗休克制剂。最近发现氯化铯对治疗各种癌症有效，并显示出作为这种疾病的新疗法的巨大潜力。

2 金属铯及其化合物的重要应用

2.1 放射治疗

铯-137 是金属铯同位素之一，放射性极强常作为放射源，是治疗肿瘤的一种常用方法，主要是利用射线对人体内的染色体发生断裂或者畸变，诱使细胞中DNA 发生变异和突变，使肿瘤细胞及其子代细胞失去活力，电离辐射对处于分裂期细胞和分化程度低的细胞比较有效而引起细胞失活，因此在现代医疗可用放射治疗的方法治愈或抑制恶性肿瘤。铯-137在组织内具有镭相同的穿透能力和类似的剂量分布，其物理特点和防护方面比镭优越，是取代镭的最好同位素。

2.2 铯原子钟

为了确定航天器与地球的距离导航员向航天器发送信号，由于信号以已知的光速进行转播，因此通过信号往返的时间便能够计算出距离，通过发送多个信号并进行多次测量就可以计算出航天器的轨迹。石英钟并不稳定，一小时后石英振荡器会偏离至少1 纳秒;六周后可能会偏离1 毫秒，即距离偏离300公里，这对测量快速移动的航天器的位置有着非常大的影响。原子钟将石英晶体振荡器与铯原子集合相结合，从而实现更高的稳定性。NASA 的深空原子钟在四天后偏离不到1 纳秒，在十年后偏离不到1微秒，每2000万年仅偏离不到1秒。随着第5代移动技术（5G）时代的到来，对原子钟的需求将会随着基站数量的增加而提升。根据绿色和平组织预测，“十四五”期间我国5G 基站数量将保持63.6%的年复合增长率，2025 年将达到800 万站。虽然每台原子钟里铷铯用量仅为克级，但由于基站数量庞大，外加原子钟的应用已渗透至多个领域，未来原子钟对铷铯的需求将会成为铷铯下游需求的增长点之一。

3 结论

在工业社会高速发展的时代，铷铯资源在现代高新科学技术领域的应用广泛，在部分行业经济和军事战略方面有着不可替代的重要作用。随着现代社会的发展，可以预见在未来全球对铷铯及其化合物的用量呈现上升的趋势，铷铯及其化合物的应用市场前景广阔。在市场需求量不断扩大的基础上，促使越来越多的科技工作者加入分离提纯铷铯工艺和扩大应用范围的研究行列。在经过数十年的科技投入，离子交换法、溶液萃取法、沉淀法等新兴的实验室分离技术趋于成熟，提纯的铷铯质量的提取率得到很大的提升，如何在现有的科技成果研究的基础上创新提纯技术，拓展铷铯及其化合物在行业应用领域是今后学术研究的重点方向。