IŞIK MİKROSKOBU
Mikroskopların gelişmesinde görüntüleme partikülleri ve bu partiküllerin mercekle odaklanabilmesi
büyük rol oynamışlardır. Işık mikroskobisinde ışık fotonları görüntüleme partikülleridir; ışık fotonları
konvansiyonel cam merceklerle (lens) odaklanır. Işık mikroskobunun ötesinde ayırma gücü eldesi için
daha değişik partiküllerle, örneğin elektronlar (veya iyonlar) ile çalışmak gerekir. Elektron
mikroskobisinde ise görüntülemede elektronlardan faydalanılır. Elektriksel alanda ivmelendirilmiş
elektronlar manyetik alanda saptırılır; bu doğrultuda elektromanyetik merceklerden geçen elektronlar
fokuslanır (odaklanır). Elektronların yüksek enerjisi (düşük dalga boyu) doğrultusunda birkaç nm
seviyesinde ayırma gücü elde edilir.
Katı bir maddeden elektron emisyonu için maddenin minimum elektronların iş fonksiyonu (=elektronu
bağından koparmak için gerekli iş/enerji) seviyesinde bir enerji ile tahrik gerekir. Enerji tahriğine bağlı
olarak katı maddeden dört değişik şekilde elektron eldesi (koparımı) bulunmaktadır:
 Foto-emisyon (fotonlarla bombardıman ile koparma),
 Termal emisyon (ısıtma sonucu elektron serbestleşmesi),
 Alan emşsyonu (güçlü elektriksel alanla koparma),
 Kinetik emisyon (elektron veya iyon bombardımanı ile koparma)
Tüm bu değişik elektron koparma yöntemleri birbirinden tamamen farklı yöntemlerin oluşmasına yol
açmıştır. Foto-emisyon Foto Emisyon Elektron Mikroskobunun gelişmesine, termal emisyon tarama
Elektron Mikroskobu ve Transmisyon Elektron Mikroskobunun gelişmesine, alan emisyonu ise Alan
İyon Mikroskobunun gelişmesine yol açmıştır.
Çeşitli mikroskopların ayırma gücü
1
Metalurji Mikroskobundaki Esaslar (Işık Mikroskobu)
Metal ve alasımların iç yapıları metalurji mikroskobu (optik mikroskop) ile etüt edilir. Gelismis bir
metalurji mikroskobunun büyütmesi 2000X mertebesinde olup ayırma gücü 1000Å’ü asamaz. Daha
yüksek büyütmeler de mümkün olmasına rağmen bu işlem ayırma güçünde hiçbir kazanç getirmez.
Görüntü yalnızca detay göstermeden büyür (boş büyütme).
Işık mikroskobisiyle yapılan metalografi (uygun tekniklerle metal ve alaşım mikroyapılarının ortaya
konması) sonucu değişik mikroyapısal oluşumlar, örneğin tane sınırları, faz sınırları, mikrogözenek ve
lunkerler ile bu oluşumlardaki değişimler algılanabilir.
Mikroskobik cisimler spektrumun görünür bölgesindeki absorbsiyon yeteneklerine göre ikiye ayrılır
ve böylece ışık mikroskoplarının konstrüksiyonunda iki temel tip görülür:
Transmisyon tipi ışık mikroskobu: Saydam cisimler, gelen ışığın bir kısmını inceleme yapılabilecek
şekilde transmitte edebilirler (içlerinden geçirmek). Bu objelerde alttan gelen ışık objenin içinden
geçerek üstte bulunan objektife ulaşır. Bu tür mikroskoplar, örneğin biyolojide kullanılır.
Refleksiyon tipi ışık mikroskobu: Buna karşın saydam olmayan cisimler, gelen ışığın tamamını
absorbladığı için bunların incelenmesi sadece yansıyan (reflekte olan) ışığın altında olmaktadır.
Metaller ve alaşımlar gibi transparan olmayan objelerde (numunelerde) metallerin yüksek ışık
refleksiyon katsayısından faydalanılır. Bu tür mikroskoplar, jeoloji, malzeme bilimi vb de kullanılır.
Metalografik numune incelemelerinin bu tür ışık mikroskobunda yapılması nedeniyle bu tür
mikroskoplar metal mikroskobu olarak da anılır.
Nikon MA 200 Optical metal microscopy analysis
2
Ayırma gücü (çözünürlük, resolusyon) ve büyütme (magnifikasyon) açısından numune incelemede
kullanılan yöntemlerin karşılaştırılması
3
Alttaki şekilde ötektik altı bir demir-karbon alaşımının çeşitli büyütmelerdeki görüntülerini
göstermektedir. Görüldüğü gibi artan büyütme ile görüntünün kesiti azalırken mikroyapıdaki ayırma
gücü daha da artmaktadır.
(a)
(b)
4
(c)
Ötektik altı bir Fe-C alaşımının görüntüsü; primer kristaller ve ledeburit ötektiği; a-c) artan büyütme
oranı
Donanım
Objektif ve oküler:
Objektiflerde akromat (en düşük düzeltme seviyeli), yarıapokromat (orta düzeltme seviyeli) ve
apokromat (en yüksek düzeltme seviyeli) tipi objektifler bulunmaktadır. Akromat tipi objektifler
sadece yeşil filtreler ile kullanılabilmektedir. Apokromatlar bütün genel (cam) plakalar ve filtreler ile
kullanılabilmektedir.
Mikroskopta kullanılan objektifler
a) Akromat objektif, b) Fluorit (yarı apokromatik) objektif, c) Apokromatik objektif ve d)
Objektif üzerinde yazılı spesifikasyonlar
Aydınlatma:
Yüksek mikroskop büyütmelerinde numunenin aydınlatılması için gerekli olan gün ışığının şiddeti
yeterli olmadığından dolayı suni ışık kaynaklarına ihtiyaç vardır. Görüntülemede kullanılacak ışık
demetinin görüntünün gürültü kapmasına neden olan reflekslerden uzak olması, doğru aperatura
sahip olması ve numunenin ısınmasını engellemek için maksimum aydınlatmada mümkün
5
olduğunca düşük ışık akımı gelecek şekilde yönlendirilmelidir. Köhler aydınlatma prensibi, ışık
kaynağını toplar mercek ile görüntüleyerek ve oluşan bu görüntünün bulunduğu yerde
ayarlanabilen bir diyafram yerleştirilerek bu koşulları sağlamaktadır. Böylece bu yerleştirilen
diyafram sayesinde numunenin istenilen bölgesi görüntülenirken aydınlatan ışık hüzmesinin
açılma açısı, yani apertur keyfi olarak ayarlanabilmektedir. Toplar merceğin hemen arkasına bir
ikinci ayarlanabilen diyafram (alan diyaframı) yerleştirilmekte ve bu şekilde numunenin
aydınlatılan bölgesinin büyüklüğü belirli sınırlar içinde değiştirme imkanı sağlamaktadır. Bu
büyüklük, numunenin sadece okülerde veya fotoğraf levhasında görüntülenecek bölgesi
aydınlatılacak şekilde seçilmelidir. Bu şekilde görüntünün gürültü kapmasına neden olan
mercekler, tubuslar veya kamera içi ışık refleksleri (yansımaları) engellenmiş olmaktadır.
Tipik bir okülerin boyuna kesiti.
Sabit apertur diyaframı, ara görüntünün oluştuğu mercek 1 ve 2 arasında bulunmaktadır. Oküler
mikroskopla çalışan kişinin rahatça görebilmesi için korumalı bir gözetleme deliğine sahiptir.
Bir mikroskobun aydınlatma (ışıklandırma) düzeni için aşağıda verilen koşullar sağlanmalıdır:
 Cismin üzerindeki ışık yoğunluğu, görüntünün hassas bir göz ile hem okülerde, hem de ışığı
yutan mat bir plaka üzerinde gözlenebilmesini sağlayacak şekilde ayarlanmalıdır. Fotoğrafik
görüntü almada, ışıklandırma süresi olabildiğince kısa olması için ışık yoğunluğu yüksek
tutulmalıdır.
 Işık demetinden ayrılan ve görüntüye hiçbir şekilde katkısı olmayan rahatsız edici refleksler,
ışık girişinden uzak tutulmalıdır.
 Apertur ve ışık demetinin düşme yönü bütün inceleme konumları için optimal ayarlanmalıdır.
Tüm bu koşullar, her aydınlatma düzeni için uygulanabilen Köhler aydınlatma prensibi ile
sağlanır. Köhler prensibinin genel bir düzeneği aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Işık kaynağı (L)
kollektör/kondenser (toplar/yoğunlaştırıcı) mercek (Ko) tarafından apertur diyaframında (Ab)
görüntülenmektedir. İlk yardımcı mercek (L1) ve (L2) apertur diyaframını ışık kaynağının
görüntüsü (Ab) ile birlikte düzlemsel aynadaki (Pg) yansımasına göre objektif açıklığında (O’’)
görüntülemektedir. Kondensör gibi davranan sonsuza ayarlanmış objektif (O’), yardımcı mercek
(L2) ile birlikte aydınlık alan diyaframını (Lb) numunenin yüzeyinde (O) görüntüler.
6
Köhler aydınlatma prensibinin genel düzeneğinin şematik gösterimi
Kontrast Oluşumu ve Görüntüleme
Cismin ayrıntılarını görmek için yalnızca bunların ara mesafesinin ayırdedilebilir en küçük mesafeden
büyük olması yeterli gelmemektedir. Ayrıca cismin ayrıntılarını optik özellikleri açısından
ayrıdedebilmek, yani görüntüdeki yüzeyde bulunan öğelerin görünebilir kontrastlar vermesi de
önemlidir. Renk ve aydınlık kontrastları direkt gözle algılanabilir veya fotografik anlamda
görüntülenebilir. Cismi (görüntülenecek obje yüzeyi) dağlama veya enterferans katmanları ile yüzeyde
tabaka oluşturma gibi çeşitli metalografik metotlarla etkileyerek kontrast artırılabilinir. Cisim
tarafından yansıyan ışınların faz halleri ve polarizasyon durumları arasındaki görünmez farklar,
mikroskobun ışık yoluna özel müdahaleler ile aydınlık kontrastları oluşturularak görünür hale getirilir.
Bu mikroskobik özel yöntemler faz kontrastı ve polarize ışık ile incelemelerdir.
Metal mikroskoplarında uygulanan değişik kontrast mekanizmaları aşağıda listelenmiştir:
Aydınlık Alan Aydınlatması ile Kontrast:
Görüntülemenin cisim tarafından yansıyan (reflekte olan) ışık tarafından oluşturulması durumunda
aydınlık alan ışıklandırılması söz konusudur. Burada optik eksene dik olan düz yüzeyler aydınlık
görünmektedir. Bu kontrast standart görüntüleme metodudur (Şekil a).
Elektrolitik Fe, %1’lik nital ile dağlanmış. a) Aydınlık alan, b) Karanlık alan görüntüsü
7
Karanlık Alan Aydınlatması ile Kontrast:
Yalnız dağınık dağılmış (difuz saçılmış) ışık görüntüyü oluşturuyor ise karanlık alan ışıklandırması
söz konusudur. Bu durumda optik eksene dik olan düz yüzeyler karanlık görünmektedir. Karanlık alan
ışıklandırmanın avantajı, yaygın ışık saçılımı nedeni ile cismin dış yüzeyindeki rölyef ayrıntılarının
kontrastça daha zengin eldesidir (Şekil b).
Polarize Işık Kontrastı:
Normal beyaz ışık, ilerleme yönüne dik olarak herbir yöne salınmaktadır (titreşmektedir). Bu tür
polarize olmayan ışık, belli yönde birbirine bağlanmış iki kakspat/kalsit kristali (ki buna nicol prizması
denir) içinden geçirildiğinde yalnızca bir düzlemde (polarizasyon düzlemi) titreşir; ışık polarize
olmuştur. Polarize ışık, birinci nicol prizmasına (polarizatör) göre 90  döndürülmüş – ikinci bir Nicol
prizmasından (analizatör) geçemez. Yalnızca eğer polarizatör ve analizatör kristalleri arasında optik
aktif maddeler polarize ışığın titreşim düzlemini değiştirir ve böylece önceden karanlık olan
görüntüleme yüzeyi aydınlanır. Kübik kristal kafesine sahip olmayan tüm maddeler optik anizotrop
olup polarize ışığın titreşim düzlemini karakteristik bir şekilde döndürür; eğer kendileri polarize ışık
altında döndürüldüğünde tipik bir renk değişimine uğrar. Birçok silikat, oksit, nitrür, intermetalik
fazlar ve bazı metaller kübik kristalize olmadıkları için polarize ışık altında incelemelerinin daha etkin
olacağı aşikardır.
Saf Al. a) Tane sınırı dağlanmış, aydınlık alan, b) Florobor asitiyle anodik oksidasyon, polarize ışık.
Polarize Işık Kontrastı:
Normal beyaz ışık, ilerleme yönüne dik olarak herbir yöne salınmaktadır (titreşmektedir). Bu tür
polarize olmayan ışık, belli yönde birbirine bağlanmış iki kakspat/kalsit kristali (ki buna nicol prizması
denir) içinden geçirildiğinde yalnızca bir düzlemde (polarizasyon düzlemi) titreşir; ışık polarize
olmuştur. Polarize ışık, birinci nicol prizmasına (polarizatör) göre 90  döndürülmüş – ikinci bir Nicol
prizmasından (analizatör) geçemez. Yalnızca eğer polarizatör ve analizatör kristalleri arasında optik
aktif maddeler polarize ışığın titreşim düzlemini değiştirir ve böylece önceden karanlık olan
görüntüleme yüzeyi aydınlanır. Kübik kristal kafesine sahip olmayan tüm maddeler optik anizotrop
olup polarize ışığın titreşim düzlemini karakteristik bir şekilde döndürür; eğer kendileri polarize ışık
altında döndürüldüğünde tipik bir renk değişimine uğrar. Birçok silikat, oksit, nitrür, intermetalik
fazlar ve bazı metaller kübik kristalize olmadıkları için polarize ışık altında incelemelerinin daha etkin
olacağı aşikardır.
8
Saf Al. a) Tane sınırı dağlanmış, aydınlık alan, b) Florobor asitiyle anodik oksidasyon, polarize ışık.
Faz Kontrast Yöntemi:
Faz kontrast yönteminde parlatılmış numune yüzeyinde reflekte olan ışığın mikroyapısal fazların
sertliğine bağlı olarak oluşan düşük yükseklik farklarından faydalanılır. Farklı yüksekliklerde reflekte
olan ışık faz kaymasına uğrar. Gözümüzle algılayamadığımız bu faz kaymaları, mikroskopta ışık
yolunda fokus düzlemine sokacağımız bir faz plakası ile aydınlık-karanlık efektine dönüşür. Böylece
20-50 A arası çok küçük yükseklik farkları görülebilir (dikkat: mikroskopta bu düzeneksiz
ayırdedilebilen yükseklik farkı ancak yaklaşık 5 µm civarındadır).
Altta bir örnek verilmiştir. Görüldüğü gibi ilgili malzemenin yapısı çift fazlıdır ve standart dağlama ve
aydınlık alan görüntüleme ile bu fazları birbirinden ayırtetmek imkansızdır (Şekil a). Ancak faz
kontrastıyla sertlik farkı gösteren her iki fazın ayırtedilmesi mümkün olmuştur.
Şekil: Alaşımlı bir çeliğin ferrit ve östenitten oluşan çift fazlı mikroyapısı, dağlanmış. A) aydınlık
alan, b) pozitif faz kontrastı, ferrit daha aşağıda, sert olan östenit yukarıda.
İkinci bir örnek karbürlü bir çelik mikroyapısından verilmiştir. Karbürler yüksek sertliktedir ve faz
kontrasına çok uygundur. Görüldüğü gibi standart aydınlık alan görüntülemesinde bu karbürler
martenzitik mikroyapıdan rahatça ayırtedilememektedir (Şekil a). Faz kontrastının uygulanmasıyla
daha sert olan karbürler matristen daha yukarıda gözükeceğinden karbür boyut ve dağılımı rahatça
görülebilir (Şekil b).
9
Alaşımlı çelik, sertleştirilmiş ve temperlenmiş; karbür içeren mikroyapı. a) %1’lik nital ile
dağlanmış:aydınlık alan, b) dağlanmamış: aydınlık alan ve faz kontrastı
Enterferans Kontrastı:
Işık mikroskobisinde enterferans katman yöntemi, parlatılan numune yüzeyinde enterferans (girişim)
tabakalarının oluşturulması ve böylece refleksiyon-enterferans filtrelerinin oluşturulmasına
dayanmaktadır. Böyle bir kısmi absorbsiyon göstermeyen tabakanın etkisi, numune yüzeyine gelen
ışık dalgalarının, metal/tabaka ve tabaka/hava arayüzeylerinde çoklu refleksiyonlar ile zayıflamasına
bağlıdır. Böylece mikroyapı öğeleri arasındaki –iki komşu fazın optik sabitlerine bağlı olarakkontrastın artışı elde edilir. Bu kontrast artışı, iki faz arasında yansıyan ışığın şiddet farklılığının
artırılması yanısıra renk kontrastının da artırılmasına bağlı bir olaydır.
a
b
c
Şekil. Yüksek hız çeliğinde değişik kontrast yöntemlerinin uygulanması:
a) Enterferans kontrast, b) MC karbürlerinin potensiyostatik olarak amonyumasetat ile kaplama
dağlaması, c) Materyal kontrast, SEM
10
Yukarıdaki şekilde çok fazlı bir çelik mikroyapısında değişik kontrastlama uygulamalarından bir
örnek aynı görüntü alanı kullanılarak gösterilmiştir. Parlatılmış numunede karbürler yakın ışık
refleksiyon katsayısına sahip oldukları için ayırdedilemez (Şekil b). Uygulanan enterferans katmanı
tekniği (katman: ZnS, purpur kırmızısı katman bölgesi) ile değişik karbür fazlarını ayırtetmek
mümkündür (Şekil a). Karşılaştırma amaçlı olarak Şekil b’ de MC karbürlerinin potensiyostatik olarak
amonyumasetat ile kaplama dağlaması ve Şekil c’ de tarama elektron mikroskobu, materyal kontrast
görüntüleri verilmiştir.
11
Download

IŞIK MİKROSKOBU Mikroskopların gelişmesinde görüntüleme