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Light Scattering by Non-Spherical Particles

Stegmann, Patrick Günter :
Light Scattering by Non-Spherical Particles.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Light Scattering by Non-Spherical Particles
Language: English
Abstract:

Nicht-sphärische Teilchen sind in der Natur sowie in verfahrenstechnischen Anwendungen sehr häufig anzutreffen. Insbesondere die Detektion von Eiskristallen während des Fluges durch Verkehrsflugzeuge ist ein Problem, dass in den vergangenen Jahren vermehrt Aufmerksamkeit erhalten hat. Während das Problem der Streuung einer ebenen elektromagnetischen Welle durch ein homogenes und isotropes sphärisches Teilchen, wie z.B. einen Regentropfen als vollständig gelöst anzusehen ist, ist dies bei nicht-sphärischen Partikeln nicht der Fall. Hier existiert nach wie vor ein Fokus der Forschung und Entwicklung sowohl auf theoretischer, numerischer, als auch experimenteller Seite, aufgrund einer Vielzahl an unterschiedlichen Schwierigkeiten. Diese Arbeit beschreibt verschiedene numerische und semianalytische Verfahren, die auf das Streuproblem angewandt werden können und dabei die gesamte Reichweite des maßgeblichen Mie-Größenparameters abdecken. Diese Methoden werden auf die Kalibration und Interpretation der Messergebnisse des PHIPS-Messinstruments angewandt, welches in einer HALO Kampagne zur Charakterisierung von atmosphärischen Eiskristallen erprobt wurde. Die Berechnungsmethoden im Einzelnen beinhalten zwei Derivate der geometrischen Optik, anwendbar auf beliebige Partikel-Geometrien mit homogenem, als auch inhomogenem Brechungsindex, das numerisch exakte Verfahren der Finiten Integration der Maxwell-Gleichungen, sowie die in der Lichtstreuung und Quantenmechanik häufig verwendete Transitionsoperator-Methode. Diese Berechnungsmethoden werden auf eine Reihe von Beispiel- Geometrien angewandt und der Einfluss von Polarisation und gemittelter Partikel-Orientierung werden untersucht. Zusätzlich wurde ein Verfahren implementiert, dass das Strahlprofil eines Laserstrahls auf die gestreute Lichtintensität berücksichtigt, welches beispielsweise in der Anwendung bei Time-Shift Messungen eine zentrale Rolle spielt. Die Grenzen der Anwendbarkeit der verschiedenen Berechnungsmethoden werden in der Arbeit erläutert. Des Weiteren werden mehrere moderne Messverfahren auf ihre Anwendbarkeit im Hinblick auf nicht-sphärische Teilchen hin überprüft. Dies beinhaltet unter anderem das Time-Shift Messverfahren, sowie interferometrische bildgebende Verfahren. Die Analyse der Anwendbarkeit der verschiedenen Messmethoden ist im experimentellen Abschnitt der Arbeit dokumentiert. Messungen der Streulicht-Phasenfunktionen von natürlichen Eiskristallen wurden ebenfalls durchgeführt und die spezifischen Vorbereitungen für die Untersuchungen von Eiskristallen in einem optischen Experiment werden in dieser Arbeit ebenfalls erläutert. Als gemeinsame Problematik konnte bei vielen Verfahren der limitierte Dynamikbereich der verwendeten Detektoren identifiziert werden. Ein abschließender wichtiger Aspekt in dieser Arbeit ist die Produktion und Aufbewahrung von Eiskristallen mit möglichst natürlichen optischen Eigenschaften in einer Laborumgebung. Hierfür wurde eine kompakte Wolkenkammer entwickelt, die die geforderten Eigenschaften an Produktionsmenge und Qualität von Eiskristallen erfüllt. Auslegung, Konstruktion und Betrieb des Apparates werden im letzten Kapitel der Dissertation detailliert wiedergegeben.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Non-spherical particles are ubiquitous in nature as well as process engineering applications. Especially the reliable detection of ice crystals in flight by commercial airliners has received a considerable amount of attention from physicists and engineers alike during the recent years. While the problem of the scattering of a plane electromagnetic wave by a homogeneous and isotropic spherical particle such as a raindrop can be considered completely solved, the same is not true for non-spherical particles. Here is still an intense focus of research and development. This includes, but is not limited to the theoretical, numerical, and experimental side of the problem, due to a manifold number of difficulties. This work describes several different numerical and semi-analytic methods, which may be applied to the solution of the scattering problem. These methods have been developed in order to cover the entire range of the characteristic Mie size parameter. Most importantly, a direct application of the methods is the calibration and interpretation of the measurement results of the PHIPS probe, which was used to conduct a HALO campaign for the characterisation of atmospheric ice crystals. Specifically, the calculation methods of the finite integration of Maxwell’s equations, as well as the transition operator method, which is widely used in the fields of classical as well as quantum mechanical scattering theory. Unique among existing codes, the geometrical optics derivative methods are applicable to any geometry and to any sort of continuous or discontinuous refractive index distribution. Furthermore, the predictive methods have been applied to a number of representative example geometries, and the influence of wave polarisation and particle orientation has been investigated through statistical sampling. Additionally, a computational class has been implemented in order to consider the influence of shaped beam incidence on the scattered light intensity distribution. Such a shaped beam plays a central role in measurement devices based on the Time-Shift principle, where the particle illumination is provided by a laser beam with a Gaussian profile. The limits of applicability of the different computational approaches are also indicated in the thesis. Furthermore, several modern measurement approaches have been evaluated with regards to their applicability to nonspherical particles. This includes the aforementioned Time-Shift principle, and Interferometric Imaging. The analysis of the different measurement techniques is documented in the experimental section of the thesis. Tentative measurements of the phase functions of ice crystals in a laboratory environment have also been conducted and the specific requirements for handling and conducting optical experiments with ice crystals are also explained in the document. As a common problem of all the measurement principle, the limited dynamic range of the optical detectors used in practice could be identified. A final important aspect addressed in the thesis is the production and storage of ice crystals with optical properties as natural as possible. For this purpose, a compact cloud chamber was developed, that provided the necessary properties, both in terms of quantity, as well as quality of the ice crystals produced by the device. Construction and operational details of the cloud chamber are reported in the last chapter of the thesis.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA)
Study Areas > Study area Computational Engineering
Date Deposited: 11 Feb 2016 15:20
Last Modified: 11 Feb 2016 15:20
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-52570
Referees: Tropea, Prof. Cameron and Gréhan, Prof. Gérard
Refereed: 16 December 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5257
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