Come individuano i sistemi a raggi X i contaminanti?

I raggi X sono una delle diverse fonti naturali di radiazione e rappresentano una forma invisibile di radiazione elettromagnetica, come le onde radio.

Tutti i tipi di radiazione elettromagnetica fanno parte di un unico continuo noto come Spettro Elettromagnetico, che è organizzato in base a frequenza e lunghezza d'onda. Va dalle onde radio a un'estremità (che hanno una lunghezza d'onda lunga) ai raggi gamma all'altra (che hanno una lunghezza d'onda corta).

La lunghezza d'onda corta dei raggi X permette loro di attraversare materiali opachi alla luce visibile, ma non attraversano tutti i materiali con la stessa facilità. La trasparenza di un materiale rispetto ai raggi X è ampiamente correlata alla sua densità: più il materiale è denso, meno raggi X passano attraverso. I contaminanti nascosti, tra cui vetro, ossa calcificate e metalli, compaiono perché assorbono più raggi X rispetto al prodotto circostante.

In termini semplici, un sistema a raggi X utilizza un generatore di raggi X per proiettare un fascio di raggi X a bassa energia su un sensore o rivelatore.

L'ispezione a raggi X consiste nel far passare un prodotto o un pacchetto attraverso il fascio di raggi X prima che raggiunga il rivelatore. La quantità di energia a raggi X assorbita durante il passaggio del fascio attraverso un prodotto è influenzata dallo spessore, dalla densità e dal numero atomico del prodotto.

Quando il prodotto passa attraverso il fascio di raggi X, solo l'energia residua raggiunge il rivelatore. La misurazione delle differenze di assorbimento tra il prodotto e un contaminante è la base della rilevazione dei corpi estranei nell'ispezione a raggi X.

Ci sono tre componenti chiave di un sistema di ispezione a raggi X:

• Un generatore di raggi X
• Un rivelatore
• Un pannello di controllo

Il fascio di raggi X è generato da un tubo a raggi X racchiuso nel generatore di raggi X. Esce attraverso una finestra di uscita e viaggia in linea retta attraverso un collimatore (un dispositivo per restringere il flusso di raggi X a un fascio di ventaglio più piccolo). Il fascio di raggi X passa poi attraverso il prodotto o il pacchetto in fase di ispezione, prima di raggiungere finalmente il rivelatore. Raggiungendo il rivelatore, i diodi convertono il livello di luce del fascio in un segnale elettrico, che viene inviato al pannello di controllo. Il pannello di controllo crea quindi un'immagine a raggi X in scala di grigi che viene ispezionata e analizzata da un software a raggi X, che poi determina se accettare o rifiutare il prodotto ispezionato.

Il generatore di raggi X contiene un tubo a raggi X che genera un fascio di raggi X.

I moderni tubi a raggi X sono costituiti da un involucro di vetro, un catodo filamentoso, un anodo di rame e un bersaglio in tungsteno. Il catodo, che è la fonte degli elettroni, è un filamento di tungsteno riscaldato fino all'incandescenza da una corrente elettrica. Gli elettroni vengono accelerati verso il bersaglio applicando un'alta tensione tra l'anodo e il catodo. Quando gli elettroni colpiscono il bersaglio di tungsteno montato all'interno dell'anodo di rame, rallentano rapidamente e questa decelerazione genera le emissioni di raggi X.

Esistono due tipi di tubo a raggi X utilizzati per l'ispezione alimentare e farmaceutica. La differenza sta nel materiale di filtrazione utilizzato per il fascio di raggi X. Questo può essere un filtro in vetro/alluminio (il più comune) oppure un filtro al berillio. La filtrazione al berillio consente un contrasto d'immagine migliorato e una maggiore sensibilità a contaminanti a bassa densità come vetro, pietra e ossa, tuttavia i benefici si limitano a impacchi più sottili e prodotti a flusso sfuso.

Scegliere il sistema giusto è fondamentale per il successo dell'ispezione a raggi X, poiché i sistemi non possono rilevare in modo ottimale i contaminanti a meno che ogni elemento, dall'angolo del fascio al meccanismo di rifiuto, non sia stato scelto per adattarsi meglio all'applicazione. I sistemi a raggi X si dividono in tre categorie: fascio verticale, fascio orizzontale e sistemi che sono una combinazione dei due.

La maggior parte dei sistemi a raggi X utilizza un fascio verticale di raggi X proveniente dal generatore per scansionare il prodotto mentre attraversa il sistema a raggi X. I beni di consumo a rapido movimento sono solitamente più piccoli in profondità rispetto a larghezza e lunghezza, quindi ispezionarli attraverso la sezione trasversale verticale dove è la minore profondità del prodotto fornisce la migliore sensibilità. Le macchine per confezioni sigillate, inclusi prodotti in involucri a flusso, sacchetti, cartoni compositi o vassoi, tendono ad avere sistemi a fasci verticali.

I sistemi orizzontali utilizzano un generatore di raggi X montato lateralmente per scansionare i prodotti che passano sul nastro trasportatore e sono principalmente impiegati per prodotti confezionati che sono più alti che larghi. Poiché un fattore chiave nella sensibilità al rilevamento è la profondità del prodotto attraverso cui i raggi X devono passare, i sistemi orizzontali di solito offrono una migliore rilevazione di questi prodotti, poiché possono scansionare attraverso i lati dei contenitori.

Un sistema di ispezione a raggi X è essenzialmente un dispositivo di scansione. Quando un prodotto attraversa il sistema a velocità costante, i sensori interni catturano un'immagine in 'scala di grigi' del prodotto, generata misurando la quantità di energia a raggi X che raggiunge il rivelatore.

Ogni immagine è composta da pixel e ogni pixel ha un valore che indica un valore in scala di grigi (dal nero 0 al bianco 255). Quando il prodotto o il pacchetto passa sopra il rivelatore, ogni riga di dati a livello di grigio viene ricostruita per fornire un'immagine completa del prodotto.

Il software all'interno del sistema a raggi X analizza l'immagine e la confronta con uno standard accettabile prestabilito. Sulla base di questo confronto, il sistema accetta o rifiuta l'immagine e, in caso di rifiuto, il software invia un segnale a un sistema di rifiuto automatico, che poi rimuove il prodotto dalla linea di produzione.

I diodi (singoli elementi del rivelatore) sono disponibili in diverse dimensioni per fornire una risoluzione dell'immagine differente. I diodi più piccoli richiedono livelli più elevati di milliampere (mA) per mantenere la qualità dell'immagine, quindi questo è spesso un compromesso in questo ambito.

Uno dei motivi principali per cui l'ispezione a raggi X sta rapidamente diventando una caratteristica comune nelle industrie alimentari e farmaceutiche di tutto il mondo è che un'ampia gamma di contaminanti fisici (sia metallici che non metallici) assorbe più raggi X rispetto al prodotto circostante e quindi appaiono chiaramente nelle immagini a raggi X.

Il rilevamento della contaminazione è direttamente correlato alla densità del prodotto e al contaminante. La maggior parte dei prodotti alimentari ha una densità simile a quella dell'acqua, che ha una Densità Specifica (SG) di 1,0. Come regola generale, se un potenziale contaminante galleggia in acqua, è probabile che sia difficile rilevarlo tramite ispezione a raggi X.

L'ispezione a raggi X ha la capacità di rilevare molti contaminanti, tra cui vetro, pietre minerali, ossa calcificate e plastiche ad alta densità e composti di gomma. La forma, la dimensione e la posizione di un contaminante all'interno di un prodotto o il tipo di confezione utilizzata possono influenzare i livelli di sensibilità. L'ispezione a raggi X offre anche livelli eccezionali di rilevamento per acciaio inossidabile e metalli ferrosi e non ferrosi, anche in prodotti confezionati in lattine, film metallizzato o foglio di alluminio.

I sistemi a raggi X possono essere utilizzati per rilevare contaminanti in varie fasi del processo produttivo, in una gamma di applicazioni, dai prodotti grezzi in flusso sfuso a pasti pronti confezionati, e prodotti pompati attraverso una conduttatura fino a prodotti in barattoli di vetro, bottiglie o lattine metalliche.

I sistemi a raggi X possono rilevare contaminanti di varie dimensioni, e la probabilità di rilevamento varia a seconda di diversi fattori, tra cui spessore, omogeneità, densità e dimensione dei prodotti. Ad esempio, i sistemi di ispezione a raggi X spesso hanno tassi di rilevamento migliori con prodotti omogenei, come il formaggio, poiché producono immagini più chiare rispetto a prodotti non omogenei, come una scatola di cereali con vari componenti di densità diversa, ad esempio scaglie, noci e frutta secca.

I sistemi a raggi X ispezionano i prodotti sfusi prima che vengano confezionati o aggiunti come ingredienti a un prodotto finito. Le applicazioni tipiche includono noci, snack estrusi, frutta secca, carni lavorate e cereali e cereali.

La sensibilità di rilevamento nei prodotti a flusso sfuso è solitamente migliore rispetto a quella nelle confezioni chiuse finali, poiché la profondità del prodotto è tipicamente molto inferiore. Un singolo strato di prodotto, o una profondità costante di flusso del prodotto, può essere raggiunto e migliora la sensibilità al rilevamento.

Bisogna considerare la posizione di queste macchine nella linea di produzione. Ad esempio, se posizionati nelle prime fasi del processo, possono ispezionare le merci o le materie prime in arrivo, permettendo la rimozione dei contaminanti alla fonte e immediatamente ricondotti al fornitore. I contaminanti nelle merci in entrata sono più grandi e facilmente rilevabili, tuttavia, più a valle, c'è la possibilità che vengano frammenti più piccoli e meno rilevabili durante il processo di produzione, per non parlare del potenziale rischio di danni ai macchinari. Eliminare i corpi estranei nelle prime fasi del processo produttivo presenta numerosi vantaggi, tra cui prevenire che vengano aggiunti ulteriori valori ai prodotti attraverso la lavorazione e il packaging, minimizzando così gli sprechi e i costi complessivi di produzione.

Questi sistemi sono progettati per ispezionare prodotti pompati, tipicamente liquidi, paste e limi prima del confezionamento finale e dell'aggiunta di ulteriore valore. Le applicazioni includono salse, marmellate, carne tritata, pollame, cioccolato, purea di frutta e creme lattiero-casearie.

Un fascio scansiona il prodotto mentre attraversa un tubo e rileva un prodotto contenente un contaminante, che viene poi deviato dal prodotto buono tramite una valvola di rifiuto. Come le macchine a flusso sfuso, il sistema di condotte a raggi X è solitamente posizionato a monte per ispezionare il prodotto in una fase iniziale e offre livelli di rilevamento migliorati poiché il prodotto è omogeneo. Trovare un contaminante in un sistema di condotte è molto più semplice che trovarlo in un barattolo di vetro, anche se, poiché il packaging in vetro comporta i propri rischi, potrebbe esserci necessario più di un Punto di Controllo Critico (CCP) su una linea di produzione.

I prodotti confezionati al dettaglio possono essere ispezionati da una serie di sistemi a raggi X a seconda dell'applicazione individuale. Questi sistemi a raggi X possono essere raggruppati in tre categorie (o tre tipi di sistemi di armadi): sistemi a fasci verticali, sistemi a fasci orizzontali e sistemi che sono una combinazione dei due.

Sistemi a fascio verticale per prodotti confezionati

I sistemi di ispezione a raggi X che utilizzano fasci verticali sono comunemente utilizzati su linee di produzione sfuse e a condotto, nonché su prodotti confezionati al dettaglio. I prodotti confezionati ispezionati su sistemi a travi verticali sono solitamente in profondità (cioè altezza) inferiori rispetto a larghezza e lunghezza. I sistemi a travi verticali ispezionano i prodotti attraverso la loro sezione trasversale verticale (che ha la minore profondità del prodotto), il che facilita la visuale dei componenti interni. L'immagine creata utilizzando questa geometria a fascio è una pianta del pacchetto che permette un'analisi dettagliata del pacco, fornendo così alti livelli di sensibilità e rilevamento.

Sistemi a fasci orizzontali per prodotti confezionati

I sistemi a raggi X orizzontali sono utilizzati principalmente per prodotti in confezioni, dove l'altezza del pacchetto è maggiore della sua larghezza (contenitori alti e rigidi). Poiché un fattore chiave nella sensibilità al rilevamento è la profondità del prodotto attraverso cui devono passare i raggi X, una scansione orizzontale di solito porta a tassi di rilevamento migliori per i pacchetti di questo tipo. I sistemi a fasci orizzontali sono disponibili in geometrie a fascio singolo o multiplo, a seconda dell'applicazione specifica.

Sistemi a fasci multipli

Sebbene la tecnologia rimanga la stessa (dei sistemi a fasci orizzontali), i sistemi a raggi X possono essere adattati per applicazioni particolari utilizzando la probabilità di rilevamento in applicazioni come barattoli di vetro e altri tipi di contenitori alti e rigidi.

Due fasci di raggi X provenienti da un singolo generatore (noto come fascio diviso) aumentano la probabilità di rilevamento di contaminanti, poiché due immagini vengono create simultaneamente da angolazioni diverse.

Questo è particolarmente utile per imballaggi come le lattine metalliche, dove è difficile rilevare contaminazioni alla base o alle pareti laterali della bombola.

Colpendo due rivelatori separati, il sistema a doppio fascio spartito supera questa sfida, poiché ogni lattina viene fotografata due volte e ogni immagine rappresenta un angolo di visuale diverso, aumentando così la copertura all'interno del contenitore e la probabilità di rilevamento.

I doppi fasci di raggi X provenienti da due generatori separati aumentano analogamente la rilevazione fornendo immagini da due angolazioni opposte.

I prodotti confezionati in bottiglie e barattoli di vetro sono tra i più difficili da ispezionare, poiché la base, le pareti laterali e il collo possono causare 'punti ciechi' se ispezionati con un singolo raggio a raggi X. La probabilità di rilevamento può essere migliorata utilizzando più fasci di raggi X—una combinazione di fasci verticali e orizzontali. Ad esempio, un fascio verticale e tre orizzontali scanneranno il prodotto simultaneamente per produrre una serie di immagini da vari angoli, riducendo i punti ciechi e ottimizzando la rilevazione. L'orientamento del fascio può anche essere ottimizzato a angolazioni diverse per adattarsi al tipo di contenitore e al tipo di prodotto.

Selezionare il tipo di fascio corretto per un'applicazione specifica è una decisione complessa e un'opzione "una soluzione per tutti" è raramente possibile. Per questo motivo, si consiglia di ottenere ulteriori consulenze da professionisti esperti di ispezione dei prodotti e, in molti casi, di effettuare test individuali sul prodotto.

I produttori non usano solo l'ispezione a raggi X per rilevare i contaminanti; I sistemi a raggi X possono eseguire simultaneamente una vasta gamma di controlli di integrità e qualità del prodotto in linea.

I controlli aggiuntivi che un sistema a raggi X può eseguire includono:

• Misurazione della massa zonata e della massa lorda
• Componenti di conteggio
• Identificazione di prodotti mancanti o rotti
• Monitoraggio dei livelli di riempimento
• Ispezione dell'integrità del sigillo
• Controllo di prodotti e confezioni danneggiate
• Rilevamento di agglomerati come grumi di sapore e polveri
• Misurazione dello spazio di testa

Con l'intensificarsi delle normative sulla sicurezza alimentare e farmaceutica, la conformità e la tracciabilità in ogni fase del ciclo di vita di un prodotto stanno diventando sempre più importanti e l'ispezione a raggi X viene sempre più utilizzata dai produttori di marchi noti per rilevare e rifiutare prodotti contaminati.

I sistemi di ispezione a raggi X possono individuare contaminanti in ogni fase della produzione per prodotti sfusi, sfusi, pompati e confezionati, ma l'efficacia della tecnologia dipende dalla densità, dallo spessore e dall'omogeneità del prodotto.

I raggi X non attraversano tutti i materiali con la stessa facilità e misurare le differenze di assorbimento tra il prodotto e un contaminante è la base per il rilevamento dei corpi estranei nell'ispezione a raggi X. La trasparenza di un materiale rispetto ai raggi X è ampiamente legata alla sua densità: più un prodotto è denso, più raggi X assorbe e compaiono contaminanti nascosti, inclusi corpi estranei come vetro, ossa e metallo, perché assorbono più raggi X rispetto al prodotto circostante, il che significa che appaiono più scuri su un'immagine in scala di grigi.

Sebbene i principi base dell'ispezione a raggi X siano gli stessi, si tratta di una tecnologia versatile e applicazioni diverse richiedono sistemi a raggi X differenti. La scelta del sistema giusto è fondamentale per il successo dell'ispezione a raggi X, poiché i contaminanti non possono essere rilevati a meno che ogni elemento, dall'angolo del fascio al meccanismo di rifiuto, non sia stato selezionato per adattarsi alla linea e al prodotto. La comprensione dei vari formati e della loro idoneità ai diversi tipi di sfide di rilevamento della contaminazione è quindi alla base delle specifiche e della scelta del sistema.

Tuttavia, una cosa è certa: i prodotti che superano con successo i sistemi di ispezione a raggi X aumentano la fiducia dei produttori alimentari e farmaceutici nella qualità e sicurezza dei loro prodotti, aiutandoli a conformarsi agli standard del settore tra cui la Global Food Safety Initiative (GFSI), il British Retail Consortium (BRC), la Food Safety System Certification 22000 (FSSC 22000), la Legge Cinese sulla Sicurezza Alimentare e lo International Featured Standard for Food (IFS).