Hostname: page-component-6766d58669-nqrmd Total loading time: 0 Render date: 2026-05-19T15:33:19.441Z Has data issue: false hasContentIssue false

Vacancies in Pure Ice Studied by Positron Annihilation Techniques

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

O. E. Mogensen
Affiliation:
Chemistry Department, Risø National Laboratory, 4000 Roskilde, Denmark
M. Eldrup
Affiliation:
Chemistry Department, Risø National Laboratory, 4000 Roskilde, Denmark
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Abstract

Positron annihilation techniques (PAT) are briefly discussed, and the information that may be obtained about the positronium (Ps) states is compared to that obtainable about the similar electron states. The behaviour of Ps in monocrystals of pure light and heavy ice was studied at temperatures between — 185°C and the melting point. Ps is very probably trapped in vacancies (i.e. missing water molecules) in ice. A vacancy formation energy of roughly 0.2–0.35 eV was derived in agreement with the value 0.28±0.07 eV obtained previously from studies of the annealing of irradiated ice. The vacancy concentration is at least a few parts per million at the melting point, i.e. roughly 104 times higher than normally assumed in the literature. The fact that the vacancy concentration is comparable to that of the hydrogen-bond defects will probably enforce a pronounced change in the “hydrogen-bond-defects” theory of the electric properties of ice.

Résumé

Résumé

Les techniques d’annihilation de positon sont brèvement discutées et l’information qu’on peut obtenir sur les états de positonium (Ps) est comparée avec cela pour les états électroniques semblables. Le comportement de Ps dans les monocristaux de glace pure normale et lourde est étudié entre — 185°C et le point de fusion. Le Ps est très probablement piégé dans les lacunes (c’est-à-dire les molécules d’eau absentes de leur site) dans la glace. Nous obtenons une énergie de formation des lacunes comprise entre 0,2 et 0.35 eV en accord avec la valeur de 0,28±0,07 eV obtenue antérieurement par les études de recuit de la glace irradiée. La concentration en lacunes est au moins de quelques p.p.m. au point de fusion c’est-à-dire sensiblement 104 fois plus grande que la valeur annoncée dans la littérature. Le fait que cette concentration en lacunes est comparable à celle des défauts sur les liaisons hydrogène renforcera probablement le nécessité de modifier l’interprétation théorique des propriétés électriques reposant généralement sur la simple notion de défauts rotationnels.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Positronzerstrahlungstechniken (PAT) werden erörtert, und die Kenntnis, die man über die Positronium-(Ps) zustände gewinnt, wird mit der über die ähnlichen Elektronenzustände verglichen. Das Verhalten von Ps in Einkristallen von reinem, leichten und schweren Eis wurde bei Temperaturen zwisehen —185°C und dem Schmelzpunkt untersucht. Ps ist sehr wahrscheinlich in Leerstellen (d.h. fehlenden Wassermolekülen) im Eis eingefangen. Es wurde eine Leerstellenbildungsenergie von rund 0,2 bis 0,35 eV abgeleitet, in guter Übereinstimmung mit dem Wert 0,34±0,07 eV, der früher aus der Untersuchung des Ausheilens von strahlungsgeschädigtem Eis gewonnen worden war. Die Leerstellenkonzentration beträgt am Schmelzpunkt mindestens einige je Million, d.h. ungefähr 104-mal höher als üblicherweise in der Literatur angenommen. Die Tatsache, dass die Leerstellenkonzentration mit derjenigen der Wasserstoffbindungsfehler vergleichbar ist, wird wahrscheinlich eine deutliche Änderung in der Theorie der elektrischen Eigenschaften von Eis bewirken, die auf Fehlstellen in den Wasserstoffbrücken beruht.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1978
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Fig. 1. A two-component positron lifetime spectrum and a diagram of the experimental set-up for positron lifetime measurements.

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Fig. 2. A typical angular correlation curve for a metal and a diagram of the experimental set-up for angular correlation measurements.

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Fig. 3. The measured points and the fitted curves of the angular correlation distributions in water and single crystals of ice. The z-direction of the b-axis curve is perpendicular to the c-axis and tilted 30° from the a-axis. The z-direction of curve a is in the plane of the a- and c-axes and tilled 20.6° from the c-axis. Curves b, c, and dare the “free” positron, ortho-Ps pick-off, and para-Ps contributions to the water curve, respectively. The measured curves are normalized to equal area. The uncertainties are smaller than or equal to the size of the points.

Figure 3

Fig. 4. The temperature dependence of the angular correlation curves for single crystals of H2O- and D2O-ice oriented along the c-axis. The measured points and the fitting curves are shown after the subtraction of the broad component from the normalized curves. Only uncertainties greater than the size of the points are shown.

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Fig. 5. The intensity of the “middle-broad” component (fwhm = 3.94, 3.70, and 3.42 mrad for H2O a-axis, H2O c-axis, and D2O c-axis, respectively) versus temperature. The squares and circus are for H2O a- and c-axis crystals, respectivley, and the triangles for D2O c-axis crystals.