Partikel mit komplexen Formen und Zusammensetzungen sind in industriellen Prozessen allgegenwärtig. Sie finden in der chemischen, pharmazeutischen, Automobil- und Lebensmittelindustrie Anwedungen. Beispielsweise sind kolloidale Tröpfchen, d. H. Tröpfchen mit darin dispergierten festen Partikeln, häufig in Sprühtrocknungsprozess in der Lebensmittelindustrie von Relevanz. Um die zugehörigen technischen Prozesse optimieren zu können, besteht die Notwendigkeit, diese Partikel hinsichtlich ihrer Größe, kolloidalen Konzentration (feste Partikel), Größe der Inklusionen und möglicherweise auch ihrer Geschwindigkeit zu charakterisieren. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Tröpfchencharakterisierung unter den genannten Aspekten und konzentriert sich auf einige besondere Beispiele komplexer Partikel: Tröpfchen mit einzelnen eingebetteten Kugeln; Tröpfchen mit einzelnen eingebetteten Flocken (z. B. Aluminiumflocken) und Tröpfchen mit mehreren Mikro- oder Nanopartikelinklusionen (kolloidale Suspensionströpfchen). Die Charakterisierung eines homogenen ellipsenförmigen Partikels wird ebenfalls untersucht und dient als Validierungs- und Referenzfall.

Genauer befasst sich diese Arbeit mit der Lichtstreuung komplexer Partikel und der Charakterisierung solcher Partikel mit der Zeitverschiebungsmesstechnik. Hierbei werden kugelförmige Tröpfchen, Tröpfchen mit einzelnen eingebetteten Flocken oder Kugeln und Tröpfchen mit mehreren kugelförmigen Inklusionen betrachtet. Entsprechend der Form, Zusammensetzung und geometrischen Eigenschaften des Partikels werden entsprechende Simulationsmethoden ausgewählt, um die Lichtstreuung der Partikel zu simulieren. Das Raytracing-Verfahren wird verwendet um die Lichtstreuungseigenschaften von kugelförmigen Tröpfchen für unterschiedliche Seitenverhältnisses zu untersuchen. Bei Tröpfchen mit einzelnen eingebetteten Flocken oder Kugeln wird mittels des Verfahrens der Einfluss der Position der Kugel innerhalb des Tröpfchens und der Ausrichtung von Flocken innerhalb des Tröpfchens untersucht. Für Tröpfchen mit mehreren Inklusionen werden das polarisierte Monte-Carlo-Raytracing-Verfahren sowie die diskrete Dipole Approximation verwendet, um ihre Lichtstreuungseigenschaften zu untersuchen. Zudem werden die Zeitverschiebungssignale simuliert, welche entstehen, wenn Tröpfchen mit den zuvor genannten Eigenschaften durch einen stark fokussierten Gaußschen Strahl eines Zeitverschiebungsmessinstruments fallen. Ziel ist es zu untersuchen, ob die Zeitverschiebungsmesstechnik eindeutig erkennen kann, ob ein Tröpfchen ein kugelförmiges Teilchen oder Flocken enthält. Die Möglichkeit, die Volumenkonzentration der Inklusionen innerhalb des Tröpfchens mit der Zeitverschiebungstechnik abzuschätzen, wird ebenfalls untersucht.

Zur Validation der Simulationsergebnisse werden entsprechende Experimente durchgeführt. Hierbei werden Zeitverschiebungssignale eines reinen Wassertropfens sowie für kolloidalen Tröpfchen, in die mehrere Polystyrol-Latex-Nanopartikel eingebettet sind, unter Verwendung des Zeitverschiebungsinstruments ermitttelt. Für die Messungen werden die Größe und die Volumenkonzentration der Nanopartikel variiert. Die experimentell ermittelten Zeitverschiebungssignale werden mit denen aus Simulationen verglichen, um die Simulationsergebnisse zu validieren. Durch Signalverarbeitung wird hierbei die relative Streustärke durch Inklusionen aus dem gemessenen Zeitverschiebungssignalen bewertet, um die Volumenkonzentration der Inklusionen abzuschätzen. Die Größe der Inklusionen wird durch Auswertung des Dämpfungsverhältnisses des Zeitverschiebungssignals geschätzt.