Partikelcharakterisierung mit dem Zeitverschiebungsverfahren

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es nachzuweisen, dass das Zeitverschiebungsverfahren (ZVV) oder engl.: Time-Shift-Technique (TST) in Rückstreuung Tropfeneigenschaften bestimmenkann und grundsätzlich geeignet ist, Partikel der Klassen B bis J (Abb. 1) zu charakterisieren. Zunächst werden dazu in Kapitel 2 optische Begriffe erläutert, die zum Verständnis der Arbeit notwendig sind. Weiterhin werden verschiedene Partikelmesstechniken und ihre Klassifizierungen kurz vorgestellt. Beim Zeitverschiebungsverfahren handelt es sich um eine Punkt- und Zählmesstechnik, die in-situ, berührungslose und nicht-intrusiv die Eigenschaften von Einzelpartikeln bestimmt. Die Laser-Doppler-(LD-) und die Phasen-Doppler-(PD-) Technik werden wegen ihrer Bedeutung im Rahmen der Arbeit in separaten Abschnitten diskutiert. Anschließend wird in Kapitel 3 das Zeitverschiebungsverfahren vorgestellt. Die historische Entwicklung, die zum vorliegenden System führt, wird skizziert und das Messprinzip für verschieden Partikelarten und -eigenschaften erläutert. Anhand von simulierten Zeitverschiebungssignalen werden drei verschiedene Methoden der ZV-Bestimmung vorgestellt. Weiterhin werden simulierte Daten verwendet, um den Einfluss von Parameteränderungen auf den Zusammenhang zwischen Tropfengröße und Zeitverschiebung zu untersucht. Betrachtet werden sowohl Eigenschaften der ZV-Lichtquelle, wie Lichtschnittausdehnung, Polarisation und Spektralbreite als auch Eigenschaften des ZVEmpfängers, wie Winkelposition und Apertur. Die experimentelle Realisierung inklusive der Datenerfassung und Verarbeitung wird in Kapitel 4 erläutert. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf den unterschiedlichen Konfigurationen, die für die verschiedenen Experimente verwendet werden. Anschließend werden die Messungen, die im Rahmen der Arbeit mit dem ZVV durchgeführt wurden, präsentiert. Dies sind zunächst Experimente an monodispersen Tropfenketten. Das System muss dabei in der Lage sein, die konstanten Tropfeneigenschaften mit geringem Fehler wiederzugeben. Diese eignen sich weiterhin dazu, eine Charakterisierung der Detektionsvolumen des ZVV vorzunehmen. Anschließend werden Messungen an einem Wasserspray im Vergleich zur Phasen-Doppler- Technik präsentiert. Diese dienen zur Validation des ZVV und bestätigen die korrekte Tropfengrößenbestimmung mit dem System. Messreihen mit zwei unterschiedlichen Konfigurationen werden gezeigt, um einen verbesserten Messaufbau zu entwickeln. Die Charakterisierung von Partikeln, die in die Klassen B bis J in Abb. 1 fallen, schließen das Kapitel ab. Drei Experimente werden zu diesem Bereich vorgestellt. Die Bestimmung von Tropfengröße und Fettanteil an Emulsionstropfen (Wasser-Milch-Gemisch), die Konzentrationsbestimmung von Fluoreszenztracern in Wassertropfen und die Größenbestimmung von Eiskristallen bzw. Schneeagglomerationen in einer Strömung. In Kapitel 5 wird eine Zusammenfassung der wichtigsten Ergebnisse vorgenommen. Zudem wird eine Aufstellung von Punkten gegeben, die bei einer Realisierung des ZVV-Aufbaus zu berücksichtigen sind. Beendet wird die Arbeit mit einem Ausblick auf mögliche Änderungen der Hardware, der Software und der optischen Konfiguration, sowie einigen Vorschlägen für weitere Experimente.