Hostname: page-component-74656f9884-54qdv Total loading time: 0 Render date: 2026-11-10T10:26:29.189Z Has data issue: false hasContentIssue false

X-Ray Topographic Studies of Dislocations in Vapor-Grown Ice Crystals

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

C. V. Mcknight
Affiliation:
Desert Research Institute, University of Nevada System, Reno, Nevada 89506, U.S.A.
J. Hallett
Affiliation:
Desert Research Institute, University of Nevada System, Reno, Nevada 89506, U.S.A.
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Abstract

Ice crystals grown from the vapor under controlled conditions have been examined by X-ray topography. Plates grown in the region — 1.5°C to —3°C and at — 15°C near water saturation were often free of defects, as were plates grown at smaller supersaturations (1.5% at — 3°C, 6% at — 15°C). It is inferred from these observations that growth was occurring by two-dimensional nucleation on the prism plane. It is suggested that multilayer adsorption on the crystal surface was responsible for growth at the low values of supersaturation, compared with higher values predicted by the Burton—Cabrera—Frank theory. Ice crystals dependent on dislocations for growth could only occur at supersaturations lower than these values. The crystal habit is interpreted as being dependent on differential two-dimensional nucleation on prism or basal faces. Rib structure is often associated with dislocation loops; stacking faults were evident in some crystals.

Résumé

Résumé

Les cristaux de glace obtenus à partir de la phase vapeur dans des conditions bien contrôlées sont étudiées par topographie X. Les lames qui croissent entre — 1,5 et —3°C et à — 15°C dans des conditions proches de la saturation sont souvent sans défauts; il en est de même pour des lames qui croissent sous faible sursaturation (1,5% à — 3°C et 6% à — 15°C). A partir de ces observations on suppose que la croissance a lieu par nucleation bidimentionnelle sur les plans prismatiques. On suggère que l’adsorption en couches multiples sur la surface du cristal est responsable de la croissance à faible taux de sursaturation en comparaison avec des valeurs plus élevées prévues par la théorie Burton–Cabrera–Frank. La croissance des cristaux de glace dépendant de l’existence des dislocations pourrait déjà avoir lieu dans des conditions de sursaturation beaucoup plus faibles que celles citées ci-dessus. La morphologie du cristal est interprétée comme dépendant, dans le cas de forte sursaturation, de la nucléation différentielle et bidimentionnelle sur les faces prismatiques ou basales. La structure en nervures est souvent associée à la présence des boucles de dislocations. Des fautes d’empilement sont observées dans certains cristaux.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Eiskristalle, die unter festgelegten Bedingungen aus der Dampfphase gezüchtet worden waren, wurden mit Röntgentopographieverfahren untersucht. Plättchen, die im Bereich — 1,5 bis — 3°C sowie bei — 15°C in der Nähe der Wassersättigung gewachsen waren, waren oft frei von Fehlstellen, ebenso Plättchen aus kleineren Übersättigungen (1,5% bei –3°C, 6% bei — 15°C). Aus diesen Beobachtungen wird geschlossen, dass das Wachstum durch zweidimensionale Keimbildung auf der Prismenfläche erfolgt. Es lässt sich denken, dass Adsorption mehrfacher Schichten auf der Kristalloberfläche für das Wachstum bei niedrigen Übersättigungen verantwortlich war, verglichen mit höheren Voraussagen der Burton–Cabrera–Frank-Theorie. Eiskristalle, die in ihrem Wachstum von Versetzungen abhängig waren, konnten nur bei Übersättigungen auftreten, die niedriger waren als jene Werte. Die Kristalltracht wird im Fall hoher Übersättigung durch die Abhängigkeit von der unterschiedlichen zweidimensionalen Keimbildung auf Prismen- oder Basisflächen gedeutet. Rippenstruktur ist oft mit Versetzungsringen verbunden; in einigen Kristallen waren Stapelfehler offen-sichtlich.

Information

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

Fig. 1. Diffusion crystal grown at — 1.5°C and 1.5% supersaturation contains deformation boundary but low dislocation density otherwise, 〈1010〉 = 0.000 8 μm s-1. g = <〈1010〉.

Figure 1

Fig. 2. Diffusion crystal grown at —3°C and 1.5% supersaturation over a sugar solution showing no evidence of dislocations emergent on any prism face,ȧ = 0.000 8 μm s-1, g = 〈1010〉.

Figure 2

Fig. 3. Ice discs growing at — 5°C at 2.5% supersaturation.ȧ = 0.03 μm s-1.

Figure 3

Fig. 4. A ribbed crystal grown in a dynamic diffusion-chamber wind tunnel at — 15°C and 13% supersaturation. This crystal has no distinct dislocations except for prismatic edge loops along ribs.ȧ = 0.09 μm s-1. g = 〈1010〉.

Figure 4

Fig. 5. Crystal grown at —15°C and 6% supersaturation over a sugar solution. The dislocations present do not emerge on prism faces.ȧ = 0.015 μm s-1. g= 〈1010〉. Sector growth is just beginning on this crystal.

Figure 5

Fig. 6. Crystal growth at —3°C and 3% supersaturation shows a high dislocation density and two grain boundaries. (a) photograph; (b) and (c) were taken using only one position of Bragg angle; (d) was taken using two positions of the Bragg angle.ȧ = 0.01 μm s-1; (b) g = 〈1010〉; (c, d) g = 〈1120〉.

Figure 6

Fig. 7. A crystal grown at — 2°C and 2% supersaturation which provides clues to the dislocation structure of ribs. The contrast at the ribs changes with orientation suggesting b = loops and individual examples of such loops can be seen at the ends of some ribs.ȧ = 0.006 μm s-1. g = 〈1010〉.

Figure 7

Fig. 8. (a) A crystal grown at —3°C, water saturation, displaying large-area stacking faults. (b) Faults are still present after seven days, though some have vanished and others changed. g = 〈1010〉.

Figure 8

Fig. 9. (a) Topograph of a crystal grown at —3°C at water saturation displaying two large-area stacking faults. (b) After nine days and some damage, the right fault has vanished, but the left fault is present and unchanged. g = 〈1010〉.