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Studies of Crystal Imperfections in Ice with Reference to the Growth Process by the use of X-Ray Diffraction Topography and Divergent Laue Method

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

Yukiko Mizuno*
Affiliation:
Institute of Low Temperature Science, Hokkaido University, Sapporo Japan 060
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Abstract

This paper presents studies on crystal imperfections including basal and non-basal dislocations, small-angle grain boundaries, stacking faults, and dislocation networks in ice using both X-ray diffraction and Laue techniques; these studies examined the growth process or origin of the ice, i.e. ice from glaciers, ice grown from the melt, or ice formed by sublimation. Several hoar crystals were found to be perfect, dislocation-free crystals, this may be due to their very slow growth rate. Dislocations and Shockley-type stacking faults were observed in some crystals. Dislocation density of a hoar crystal is very large at the point at which it started to grow, but away from this region the density becomes so small that no dislocation can be seen. The arrangement and structure of dislocations around vapour figures were also studied by means of X-ray diffraction topography. It was found that the dislocation density is high along the periphery of the vapour hexagon and that the great majority of dislocations within the hexagon are running from its centre towards the vertices or sides of the hexagon. Long screw dislocations with Burgers vector c <0001> were observed in a tabular ice which was formed artificially at a very slight degree of supercooling. The behaviour of dislocations in ice subjected to a tensile stress was studied by the use of the divergent X-ray technique which gives both enlarged Laue spots and a transmission pattern in the same photograph.

Résumé

Résumé

Cet article concerne l’étude des imperfections cristallines telles que: les dislocations basales et non basales, les joints de grains à faible désorientation, les fautes d’empilement et les réseaux de dislocations dans la glace par les deux méthodes: topographie X et Laüe à faisceau divergent, en corrélation avec les processus de croissance ou l’origine de la glace (c’est-à-dire, glace des glaciers, glace obtenue par congélation ou à partir de la phase vapeur). Plusieurs cristaux de givre ne présentent pas de dislocation et sont ainsi des cristaux parfaits: cela pourrait être dû à la très faible vitesse de croissance. Dans d’autres cristaux on observe des dislocations et des fautes d’empilement intrinsèques. La densité de dislocations dans les cristaux de givre est très grande à l’endroit où débute la croissance, mais au-delà de cette zone, elle devient si faible qu’aucune dislocation n’est observable. L’organisation et la structure des dislocations autour des figures de croissance en phase vapeur sont également étudiées par topographie X. On trouve d’une part, une densité de dislocations plus importante à la périphérie des figures de croissance de forme hexagonale, et d’autre part, à l’intérieur de cette figure hexagonale, les dislocations vont du centre vers les sommets ou vers les côtés de l’hexagone. De longues dislocations vis de vereteur Burgers c <0001> sont observées dans la glace columnaire qui est obtenue artificiellement à très faible surfusion. On étudie également le comportement des dislocations de la glace soumise à des contraintes de tension par la méthode de diffraction à faisceau divergent qui donne des taches de Laüe très agrandies de façon à être comparables aux figures obtenues par transmission.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Diese Arbeit unterbreitet Untersuchungen von Kristallfehlstellen in Eis (basale und nicht-basale Versetzungen, Kleinwinkelkorngrenzen, Stapelfehler, Versetzungsnetzwerke), die mittels Röntgenbeugungstopographie und divergentem Laue–Verfahren ausgeführt wurden, und setzt sie in Beziehung zum Wachstumsprozess oder der Herkunft des Eises, d.h. Eis von Gletschern, Eis, gewachsen aus der Schmelze und Eis, entstanden durch Sublimation. Mehrere Reifkristalle wurden als versetzungsfrei festgestellt — vollkommene Kristalle, die einer sehr langsamen Wachstumsgeschwindigkeit zugeschrieben werden können. In einigen Kristallen wurden Versetzungen und Stapelfehler vom Shockley-Typ festgestellt. Die Versetzungdichte eines Reifkristalls ist sehr hoch an dem Punkt, an dem er zu wachsen begann, aber abseits von diesem Punkt wird sie so klein, dass am Rande keine Versetzungen gesehen werden können. Anordnung und Struktur von Versetzungen in der Umgebung von Dampffiguren wurden ebenfalls mittels Röntgenbeugungstopographie untersucht. Es wurde festgestellt, dass die Versetzungsdichte in der Umgebung des Dampfsechsecks bemerkenswert hoch ist, und dass die grosse Mehrheit der Versetzungen innerhalb des Sechsecks von seinem Mittelpunkt zu den Ecken oder Seiten verlaufen. Lange Schraubenversetzungen mit dem Burgersvektor c <0001> wurden in tafelförmigem Eis beobachtet, das künstlich bei sehr langsamen Unterkühlungsbedingungen erzeugt wurde. Das Verhalten von Versetzungen in Eis unter einer Zugspannung wurde mit divergentem Röntgenverfahren untersucht. Dies liefert sowohl vergrösserte Laue-Punkte als auch ein Transmissionsbeugungsbild in ein und derselben Aufnahme.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1978
Figure 0

Fig. 1. X-ray topographs of hoar crystals taken in the direction of the diffraction vector <1010> and scanned on (0001) plane. A, dislocation-free thin hexagonal plate. Layer structures can be seen near the centre. B, shallow hopper crystal. Many dislocations can be seen in inner brims, but the outer brims are perfect.

Figure 1

Fig. 2. Topographs of a hoar crystal showing stacking-fault images. Diffracting vector are denoted by an arrow “g” and scanned on (0001) plane. Dark triangle images in A are stacking faults which are completely absent in B.

Figure 2

Fig. 3. Rectangular thin plate of ice, prepared by chemical polishing so that the hexagonal vapour figure was placed at the centre of the ice plate. The largest plane of the sample is perpendicular to the crystallographic c-axis.

Figure 3

Fig. 4 Typical configurations around a vapour figure taken with four different diffracting vector as shown in each photograph by an arrow “g” (A–D). E, schematic view of configurations of dislocations in and around the vapour figure. Solid lines labelled with letters a to i represent bundle of dislocations and the broken line indicates an area of high dislocation density.

Figure 4

Fig. 5. Topographs of ice containing a vapour figure taken with a (1010) diffraction vector (A) and a <1120> diffraction vector (B). Both were scanned on the (0001) surface. Small-angle grain boundaries are also to be seen in the vicinity of the vapour figure.

Figure 5

Fig. 6. Topographs of a new vapour figure. Dislocation images are very indistinct compared with those shown in Figures 4 and 5.

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Fig. 7. X-ray topographs of a tabular ice (A, B) and a glacier ice (C). A was taken with a <0002> diffraction vector and scanned on (1010) plane. Long screw dislocations with the Burgers vector of c <0001> can be seen. B and C were taken with the diffraction vector of 1120 and scanned on (1010) plane. Stripes parallel to the basal plane are seen in the glacier ice.

Figure 7

Fig. 8. Schematic diagram for divergent Laue method. A, microfocus X-ray tube; S, circular slit; E, ice crystal; F, film; H, transmission pattern; L, spectral lines; Q, dark shadow lines.

Figure 8

Fig. 9. A, divergent Laue photograph obtained before extension. Dislocation networks are observed in three broad Laue spots labelled 2, 7, and 10. B and C are enlarged diffraction patterns of the (2021) plane before and after extension.