Hoe vinden röntgensystemen verontreinigingen?

Röntgenstraling is een van de verschillende natuurlijk voorkomende stralingsbronnen en is een onzichtbare vorm van elektromagnetische straling, zoals radiogolven.

Alle typen elektromagnetische straling maken deel uit van één continuüm dat bekendstaat als het Elektromagnetisch Spectrum, dat is gerangschikt op frequentie en golflengte. Het loopt van radiogolven aan het ene uiteinde (die een lange golflengte hebben) tot gammastralen aan de andere kant (die een korte golflengte hebben).

De korte golflengte van röntgenstralen stelt hen in staat door materialen heen te gaan die ondoorzichtig zijn voor zichtbaar licht, maar ze gaan niet even gemakkelijk door alle materialen. De transparantie van een materiaal voor röntgenstralen hangt grofweg samen met de dichtheid ervan—hoe dichter het materiaal, hoe minder röntgenstralen er doorheen gaan. Verborgen verontreinigingen, waaronder glas, verkalkt bot en metaal, komen naar voren omdat ze meer röntgenstralen absorberen dan het omringende product.

In eenvoudige termen gebruikt een röntgensysteem een röntgengenerator om een bundel laag-energetische röntgenstralen op een sensor of detector te projecteren.

Röntgeninspectie houdt in dat een product of pakket door de röntgenstraal wordt gehaald voordat het de detector bereikt. De hoeveelheid röntgenenergie die tijdens de doorgang van de bundel door een product wordt geabsorbeerd, wordt beïnvloed door de dikte, dichtheid en het atoomnummer van het product.

Wanneer het product door de röntgenbundel gaat, bereikt alleen de restenergie de detector. De meting van de verschillen in absorptie tussen het product en een verontreiniging vormt de basis voor de detectie van vreemde voorwerpen bij röntgenonderzoek.

Er zijn drie belangrijke componenten van een röntgeninspectiesysteem:

• Een röntgengenerator
• Een detector
• Een bedieningspaneel

De röntgenstraal wordt gegenereerd door een röntgenbuis die is ingesloten in de röntgengenerator. Het vertrekt via een uitgangsvenster en beweegt in een rechte lijn door een collimator (een apparaat om de röntgenstroom te versmallen tot een kleinere ventilatorbundel). De röntgenstraal gaat vervolgens door het te inspecteren product of pak, voordat hij uiteindelijk de detector bereikt. Bij het bereiken van de detector zetten de diodes het lichtniveau van de bundel om in een elektrisch signaal, dat teruggestuurd wordt naar het bedieningspaneel. Het bedieningspaneel maakt vervolgens een 'grijstinten' röntgenbeeld dat wordt geïnspecteerd en geanalyseerd door een röntgensoftware, die vervolgens bepaalt of het geïnspecteerde product wordt geaccepteerd of afgewezen.

De röntgengenerator bevat een röntgenbuis die een röntgenstraal genereert.

Moderne röntgenbuizen bestaan uit een glazen omhulsel, een filamentkathode, een koperen anode en een wolfraamdoel. De kathode die de bron van de elektronen is, is een wolfraamfilament dat door een elektrische stroom tot gloed wordt verwarmd. De elektronen worden naar het doel versneld door een hoge spanning toe te passen tussen de anode en de kathode. Wanneer de elektronen het wolfraamdoel raken dat in de koperen anode is gemonteerd, vertragen ze snel en veroorzaakt deze vertraging de röntgenstraling.

Er zijn twee soorten röntgenbuizen die worden gebruikt voor voedsel- en farmaceutische inspecties. Het verschil zit in het filtermateriaal dat voor de röntgenstraal wordt gebruikt. Dit kan een glas/aluminium filter zijn (het meest voorkomend) of als alternatief een berylliumfilter. Berylliumfiltratie zorgt voor een verbeterd beeldcontrast en een verhoogde gevoeligheid voor verontreinigingen met lagere dichtheid zoals glas, steen en bot, maar de voordelen beperken zich tot dunnere verpakkingen en bulkproducten.

Het kiezen van het juiste systeem is fundamenteel voor het succes van röntgeninspectie, omdat systemen verontreinigingen niet optimaal kunnen detecteren tenzij elk element van de bundelhoek tot het afwerpmechanisme is gekozen om het beste bij de toepassing te passen. Röntgensystemen vallen in drie categorieën: verticale bundel, horizontale bundel en systemen die een combinatie van beide zijn.

De meeste röntgensystemen gebruiken een verticale röntgenbundel van de generator om het product te scannen terwijl het door het röntgensysteem gaat. Snel bewegende consumentengoederen zijn meestal kleiner in diepte dan in breedte en lengte, dus het inspecteren ervan door de verticale doorsnede waar de minste productdiepte is, biedt de beste gevoeligheid. Machines voor afgesloten verpakkingen, waaronder producten in flowwraps, zakken, composietkartons of trays, hebben doorgaans verticale balksystemen.

Horizontale systemen gebruiken een zijwaarts gemonteerde röntgengenerator om producten te scannen die over de transportband passeren en worden voornamelijk gebruikt voor verpakte producten die hoger dan breed zijn. Omdat een belangrijke factor in detectiegevoeligheid de diepte van het product is waar de röntgenstralen doorheen moeten gaan, bieden horizontale systemen meestal betere detectie voor deze producten, omdat ze door de zijkant van containers kunnen scannen.

Een röntgeninspectiesysteem is in wezen een scanapparaat. Wanneer een product met constante snelheid door het systeem gaat, maken interne sensoren een 'grijstinten'-beeld van het product, dat wordt gegenereerd door de hoeveelheid röntgenenergie die de detector bereikt te meten.

Elke afbeelding bestaat uit pixels en elke pixel heeft een waarde om een waarde aan te duiden op een grijswaarden (van zwart 0 tot wit 255). Terwijl het product of de verpakking over de detector gaat, wordt elke regel grijsniveaugegevens opnieuw opgebouwd om een compleet productbeeld te geven.

Software binnen het röntgensysteem analyseert het beeld en vergelijkt het met een vooraf bepaalde acceptabele standaard. Op basis van deze vergelijking accepteert of verwerpt het systeem het beeld en in het geval van afwijzing stuurt de software een signaal naar een automatisch afwijzingssysteem, dat vervolgens het product van de productielijn verwijdert.

De diodes (individuele elementen van de detector) zijn verkrijgbaar in verschillende maten om een verschillende beeldresolutie te geven. Kleinere diodes vereisen hogere niveaus van milliampère (mA) om de beeldkwaliteit te behouden, dus dit is vaak een afweging in dit gebied.

Een van de belangrijkste redenen waarom röntgeninspectie snel een veelvoorkomend kenmerk wordt in de voedings- en farmaceutische industrie wereldwijd, is omdat een breed scala aan fysieke verontreinigingen (zowel metaal als niet-metaal) meer röntgenstralen absorbeert dan het omliggende product en daardoor duidelijk zichtbaar zijn op een röntgenfoto.

Detectie van besmetting hangt direct samen met de dichtheid van het product en de verontreiniging. De meeste voedingsmiddelen hebben een vergelijkbare dichtheid als water, dat een soortelijk gewicht (SG) van 1,0 heeft. Als algemene regel geldt dat als een potentiële verontreiniging in water drijft, het waarschijnlijk moeilijk is om deze te detecteren met röntgenonderzoek.

Röntgeninspectie kan veel verontreinigingen detecteren, waaronder glas, mineraalsteen, verkalkt bot en hoogdichte kunststoffen en rubberverbindingen. De vorm, grootte en locatie van een verontreiniging in een product of het type verpakking kunnen invloed hebben op de gevoeligheid. Röntgeninspectie biedt ook uitzonderlijke detectieniveaus voor roestvrij staal en ferro- en non-ferrometalen, zelfs in producten die in blik, gemetalliseerde film of folie zijn verpakt.

Röntgensystemen kunnen worden gebruikt om verontreinigingen te detecteren in verschillende stadia van het productieproces, in uiteenlopende toepassingen van grondstoffen in bulk tot verpakte kant-en-klare maaltijden, en producten die via een pijpleiding worden gepompt naar producten in glazen potten, flessen of metalen blikjes.

Röntgensystemen kunnen verontreinigingen van verschillende groottes detecteren, en de waarschijnlijkheid van detectie varieert afhankelijk van verschillende factoren, waaronder de dikte, homogeniteit, dichtheid en grootte van producten. Röntgeninspectiesystemen hebben bijvoorbeeld vaak betere detectiegraden bij homogene producten, zoals kaas, omdat ze helderdere beelden creëren in vergelijking met niet-homogene producten, zoals een doos ontbijtgranen met verschillende componenten van verschillende dichtheid, zoals vlokken, noten en gedroogd fruit.

Röntgensystemen inspecteren losse bulkproducten voordat ze worden verpakt of als ingrediënten aan een eindproduct worden toegevoegd. Typische toepassingen zijn noten, geëxtrudeerde snacks, gedroogd fruit, bewerkt vlees en granen en granen.

De detectiegevoeligheid in bulk-flow producten is meestal beter dan bij definitieve gesloten verpakkingen, omdat de productdiepte doorgaans veel kleiner is. Een enkele laag product, of een constante diepte van productstroom, kan worden bereikt en verbetert de gevoeligheid van detectie.

Er moet rekening worden gehouden met de locatie van deze machines in de productielijn. Wanneer ze bijvoorbeeld vroeg in het proces worden geplaatst, kunnen ze binnenkomende goederen of grondstoffen inspecteren, waardoor verontreinigingen bij de bron kunnen worden verwijderd en direct naar de leverancier kunnen worden teruggevoerd. Verontreinigingen in inkomende goederen zijn het grootst en het gemakkelijkst detecteerbaar, maar verder stroomafwaarts bestaat de kans dat ze tijdens het productieproces in kleinere, minder detecteerbare fragmenten worden gebroken, om nog maar te zwijgen van het risico op schade aan machines. Het vroeg in het productieproces elimineren van vreemde voorwerpen heeft tal van voordelen, waaronder het voorkomen dat er extra waarde aan producten wordt toegevoegd door verwerking en verpakking, waardoor afval en totale productiekosten worden geminimaliseerd.

Deze systemen zijn ontworpen voor het inspecteren van gepompte producten, meestal vloeistoffen, slurries en pasta's, voordat de uiteindelijke verpakking wordt uitgevoerd en er extra waarde wordt toegevoegd. Toepassingen zijn onder andere sauzen, jam, gehakt, gevogelte, chocolade, fruitpuree en zuivelsmeermiddelen.

Een bundel scant het product terwijl het door een pijp gaat en detecteert product met een verontreiniging, dat vervolgens via een afwerpafleider van het goede product wordt afgeleid. Net als bulkstroommachines bevindt het röntgenpijpleidingsysteem zich meestal stroomopwaarts om het product in een vroeg stadium te inspecteren en biedt het verhoogde detectieniveaus omdat het product homogeen is. Het vinden van een verontreiniging in een pijpleidingsysteem is veel eenvoudiger dan in een glazen pot, hoewel er vanwege glasverpakkingen risico's nodig kan zijn voor meer dan één Critical Control Point (CCP) op een productielijn.

Retailproducten in de winkel kunnen worden geïnspecteerd met verschillende röntgensystemen, afhankelijk van de individuele toepassing. Deze röntgensystemen kunnen worden ingedeeld in drie categorieën (of drie typen kastsystemen): verticale bundelsystemen, horizontale bundelsystemen en systemen die een combinatie van beide zijn.

Verticale balksystemen voor verpakte producten

Röntgeninspectiesystemen met verticale stralen worden vaak gebruikt op bulk- en pijpleidingproductielijnen, evenals op verpakte producten in de detailhandel. Verpakte producten die worden geïnspecteerd op verticale balksystemen zijn meestal kleiner in diepte (d.w.z. hoogte) dan in breedte en lengte. Verticale balkensystemen inspecteren producten via hun verticale doorsnede (die de minste productdiepte heeft), waardoor het makkelijker is om de interne componenten te zien. De afbeelding die met deze bundelgeometrie wordt gemaakt, is een plattegrondweergave van het pak, waardoor gedetailleerde analyse mogelijk is, wat uiteindelijk hoge gevoeligheid en detectie oplevert.

Horizontale balksystemen voor verpakte producten

Horizontale bundel-röntgensystemen worden voornamelijk gebruikt voor producten in pakketten, waarbij de hoogte van de rugzak groter is dan de breedte (hoge, stijve containers). Aangezien een belangrijke factor in detectiegevoeligheid de productdiepte is waar de röntgenstralen doorheen moeten gaan, resulteert een horizontale scan meestal in betere detectiesnelheden voor pakjes van dit ontwerp. Horizontale bundelsystemen zijn beschikbaar in enkel- of meervoudige balkgeometrieën, afhankelijk van de specifieke toepassing.

Meervoudige bundelsystemen

Hoewel de technologie hetzelfde blijft (als horizontale bundelsystemen), kunnen röntgensystemen worden aangepast aan specifieke toepassingen om de detectiekans te optimaliseren in toepassingen zoals glazen potten en andere soorten hoge en stijve containers.

Twee röntgenstralen van één generator (bekend als een gesplitste bundel) verhogen de kans op detectie van verontreinigingen, omdat twee beelden gelijktijdig vanuit verschillende hoeken worden gemaakt.

Dit is vooral nuttig voor verpakkingen zoals metalen blikjes, waar het moeilijk is om besmetting in de bodem- of zijwanden van het blik te detecteren.

Door twee afzonderlijke detectoren te raken, overwint het split dual-beam systeem deze uitdaging, aangezien elk blikje twee keer wordt afgebeeld, en elk beeld een andere kijkhoek vertegenwoordigt, waardoor de dekking binnen de container en de kans op detectie toeneemt.

Dubbele röntgenstralen van twee afzonderlijke generatoren verhogen op vergelijkbare wijze de detectie door beelden te leveren vanuit twee tegengestelde hoeken.

Producten die in glazen flessen en potten zijn verpakt, behoren tot de moeilijkste om te inspecteren, omdat de onderkant, zijwanden en hals 'blinde vlekken' kunnen veroorzaken wanneer ze met één röntgenstraal worden geïnspecteerd. De detectiekans kan worden verbeterd door gebruik te maken van meerdere röntgenstralen—een combinatie van verticale en horizontale bundels. Zo zullen één verticale en drie horizontale röntgenstralen het product gelijktijdig scannen om een reeks beelden vanuit verschillende hoeken te produceren, waardoor blinde vlekken worden verminderd en de detectie wordt geoptimaliseerd. De oriëntatie van de bundel kan ook onder verschillende hoeken worden geoptimaliseerd om te passen bij het type container en het producttype.

Het kiezen van het juiste balktype voor een specifieke toepassing is een complexe beslissing en een optie van "één oplossing past voor iedereen" is zelden mogelijk. Om deze reden wordt aangeraden om verder advies te krijgen van ervaren productinspectieprofessionals en in veel gevallen wordt individuele producttests uitgevoerd.

Fabrikanten gebruiken niet alleen röntgeninspectie om verontreinigingen te detecteren; Röntgensystemen kunnen tegelijkertijd een breed scala aan inline productintegriteits- en kwaliteitscontroles uitvoeren.

De extra controles die een röntgensysteem kan uitvoeren zijn onder andere:

• Meting van gezoneerde en bruto massa
• Componenten tellen
• Ontbrekende of kapotte producten identificeren
• Monitoring van vulniveaus
• Inspectie van de afdichtingsintegriteit
• Controleren op beschadigd product en verpakking
• Detecteren van agglomeraten zoals smaak en poederklonten
• Meting van de hoofdruimte

Met de strengere voedsel- en farmaceutische veiligheidsvoorschriften wordt naleving en traceerbaarheid in elke fase van de levenscyclus van een product steeds belangrijker en wordt röntgeninspectie steeds vaker gebruikt door fabrikanten van bekende merken om besmette producten te detecteren en af te keuren.

Röntgeninspectiesystemen kunnen in elke productiefase verontreinigingen vinden voor losse, bulk, gepompte en verpakte producten, maar de effectiviteit van de technologie hangt af van de dichtheid, dikte en homogeniteit van het product.

Röntgenstralen gaan niet even gemakkelijk door alle materialen heen en het meten van de verschillen in absorptie tussen het product en een verontreiniging vormt de basis voor het detecteren van vreemde voorwerpen bij röntgeninspectie. De transparantie van een materiaal ten opzichte van röntgenstralen hangt grofweg samen met de dichtheid—hoe dichter een product, hoe meer röntgenstralen het absorbeert en verborgen verontreinigingen, waaronder vreemde stoffen zoals glas, bot en metaal, komen naar voren omdat ze meer röntgenstralen absorberen dan het omringende product, waardoor ze donkerder lijken op een grijstintenbeeld.

Hoewel de basisprincipes van röntgeninspectie hetzelfde zijn, is het een veelzijdige technologie en vereisen verschillende toepassingen verschillende röntgensystemen. Het kiezen van het juiste systeem is cruciaal voor het succes van röntgeninspectie, omdat verontreinigingen niet kunnen worden gedetecteerd tenzij elk element, van bundelhoek tot afwerpmechanisme, is geselecteerd om de lijn en het product te passen. Inzicht in de verschillende formaten en hun geschiktheid voor verschillende soorten uitdagingen bij het detecteren van besmettingen vormt daarom de basis voor systeemspecificatie en -keuze.

Eén ding is echter zeker: producten die succesvol door röntgeninspectiesystemen komen, vergroten het vertrouwen van voedsel- en farmaceutische fabrikanten in de kwaliteit en veiligheid van hun producten, waardoor ze kunnen voldoen aan industrienormen zoals de Global Food Safety Initiative (GFSI), British Retail Consortium (BRC), Food Safety System Certification 22000 (FSSC 22000), de Chinese Food Safety Law en International Featured Standard for Food (IFS).