Low-Temperature Heat Conduction in Pure, Monocrystalline Ice

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Abstract
The heat conduction of ice single crystals is measured by a steady-state heat-flux method between 1.7 K and 100 K. For temperatures higher than 16 K all experimental points are found to be on the same curve. For temperatures lower than 16 K the heat conduction curves depend on the material of the crystallization vessel, the ageing of the sample and the cooling rate between the temperature of the mount (≈ 260 K) and liquid-nitrogen temperature. No anisotropy can be found for temperatures higher than 9 K. Computer fits are made, based on Callaway’s model of heat conduction in dielectric crystals. An attempt is made to explain the observed extrinsic heat conduction by the presence of microstructures in ice. It is shown that heat-conduction measurements can be used to establish a “quality-list” of samples studied in laboratories. La conduction thermique de monocristaux de glace est mesurée par la méthode du flux de chaleur stationnaire entre 1,7 K et 100 K. Pour des températures supérieures à 16 K tous les points expérimentaux se trouvent sur une courbe unique. Pour des températures inférieures à 16 K les courbes de conduction thermiques dépendent du matériau du vase de cristallisation, du vieillissement de l’échantillon et de la vitesse de refroidissement entre la témpérature du montage (≈ 260 K) et la température de l’azote liquide. Aucune anisotropie ne peut être trouvée pour des températures supérieures à 9 K. Des ajustements sur ordinateur ont été effectues basés sur le modèle de la conduction thermique des isolants de Callaway. Une tentative d’explication de la conduction thermique extrinsèque est donnée faisant intervenir des microstructures de la glace. Il est démontré qu’il est possible d’établir un cahier des charges des échantillons de glace étudiés aux laboratoires à partir de mesures de la conduction thermique. Die thermische Leitfähigkeit von Eis-Einkristallen wurde mittels der Methode des stationären Wärmeflusses zwischen 1.7 K und 100 K gemessen. Für Temperaturen oberhalb 16 K liegen alle Messpunkte auf einer Kurve. Unterhalb 16 K hängen die Wärmeleitfähigkeitskurven ab vom Material des Kristallisationsgefässes, der Alterung der Probe und der Abkühlgeschwindigkeit zwischen der Montagetempcratur (≈ 260 K) und der Temperatur des flüssigen Stickstoffs. Oberhalb von 9 K kann keinerlei Anisotropie festgestellt werden. Computerfits auf der Basis des Callawayschen Models der Wärmeleitfähigkeit dielektrischer Kristalle wurden erstellt. Ein Versuch wird unternommen, die extrinsische Wärmeleitfähigkeit mittels des Vorhandenseins von Mikrostrukturen im Eis zu erklären. Es wird gezeigt, dass es möglich ist, mittels Wärmeleitfähigkeits-messungen eine Standardisierung von im Laboratorium studierten Eisproben zu erreichen.