Ako röntgenové systémy nachádzajú kontaminanty?

Röntgenové lúče sú jedným z viacerých prirodzene sa vyskytujúcich zdrojov žiarenia a predstavujú neviditeľnú formu elektromagnetického žiarenia, ako sú rádiové vlny.

Všetky typy elektromagnetického žiarenia sú súčasťou jedného kontinua známeho ako elektromagnetické spektrum, ktoré je usporiadané podľa frekvencie a vlnovej dĺžky. Prebieha od rádiových vĺn na jednom konci (ktoré majú dlhú vlnovú dĺžku) až po gama žiarenie na druhom (ktoré majú krátku vlnovú dĺžku).

Krátka vlnová dĺžka röntgenových lúčov im umožňuje prechádzať materiálmi, ktoré sú pre viditeľné svetlo nepriehľadné, ale neprechádzajú všetkými materiálmi rovnakou ľahkosťou. Priehľadnosť materiálu voči röntgenovému žiareniu závisí od jeho hustoty – čím hustejší materiál, tým menej röntgenových lúčov prechádza. Skryté kontaminanty, vrátane skla, kalcifikovaných kostí a kovov, sa prejavujú, pretože absorbujú viac röntgenového žiarenia než okolitý produkt.

Jednoducho povedané, röntgenový systém používa röntgenový generátor na premietnutie lúča nízkoenergetických röntgenových lúčov na senzor alebo detektor.

Röntgenová inšpekcia spočíva v prechode produktu alebo balíka cez röntgenový lúč predtým, než dorazí k detektoru. Množstvo röntgenovej energie absorbovanej počas prechodu lúča produktom je ovplyvnené hrúbkou, hustotou a atómovým číslom produktu.

Keď produkt prechádza röntgenovým lúčom, k detektoru sa dostane iba zvyšková energia. Meranie rozdielov v absorpcii medzi produktom a kontaminantom je základom detekcie cudzieho telesa pri röntgenovej kontrole.

Röntgenový systém inšpekcie má tri kľúčové komponenty:

• Röntgenový generátor
• Detektor
• Ovládací panel

Röntgenový lúč je generovaný röntgenovou trubicou uzavretou v röntgenovom generátore. Odchádza cez výstupné okno a putuje priamou líniou cez kolimátor (zariadenie na zúženie prúdu röntgenového žiarenia na menší ventilátorový lúč). Röntgenový lúč potom prechádza cez skúmaný produkt alebo balík, kým nakoniec nedorazí k detektoru. Po dosiahnutí detektora diódy premenia úroveň svetla zo zväzku na elektrický signál, ktorý sa následne posiela späť na ovládací panel. Ovládací panel potom vytvorí röntgenový obraz v odtieňoch šedej, ktorý je skontrolovaný a analyzovaný röntgenovým softvérom, ktorý následne rozhodne, či bude kontrolovaný produkt prijatý alebo zamietnutý.

Röntgenový generátor obsahuje röntgenovú trubicu, ktorá generuje röntgenový lúč.

Moderné röntgenové trubice pozostávajú zo skleneného obalu, katódy z vlákna, medenej anódy a volfrámového terča. Katóda, ktorá je zdrojom elektrónov, je volfrámové vlákno zahriaté elektrickým prúdom na žiarenie. Elektróny sa urýchľujú k cieľu aplikovaním vysokého napätia medzi anódou a katódou. Keď elektróny zasiahnu volfrámový cieľ umiestnený vo vnútri medenej anódy, rýchlo spomaľujú a toto spomalenie vytvára röntgenové žiarenie.

Existujú dva typy röntgenových trubíc používaných na kontrolu potravín a farmaceutických výrobkov. Rozdiel je v filtračnom materiáli použitom pre röntgenový lúč. Môže to byť buď sklenený/hliníkový filter (najbežnejší) alebo alternatívne beryliový filter. Beryliová filtrácia umožňuje lepší kontrast obrazu a zvýšenú citlivosť na kontaminanty s nižšou hustotou, ako sú sklo, kameň a kosť, avšak výhody sú obmedzené na tenšie balíčky a produkty s objemovým prietokom.

Výber správneho systému je základom úspechu röntgenovej kontroly, pretože systémy nedokážu optimálne detekovať kontaminanty, pokiaľ nie je každý prvok od uhla lúča až po mechanizmus odmietania zvolený tak, aby najlepšie vyhovoval aplikácii. Röntgenové systémy sa delia do troch kategórií: vertikálny lúč, horizontálny lúč a systémy, ktoré sú kombináciou oboch.

Väčšina röntgenových systémov používa vertikálny röntgenový lúč z generátora na skenovanie produktu počas jeho prechodu röntgenovým systémom. Rýchlo sa pohybujúce spotrebné tovary sú zvyčajne menšie v hĺbke než v šírke a dĺžke, preto ich kontrola cez vertikálny prierez, kde je najmenšia hĺbka produktu, poskytuje najlepšiu citlivosť. Stroje na uzavreté balenia, vrátane produktov v flow wrapoch, vreckách, kompozitných kartónoch alebo táckach, majú tendenciu mať vertikálne nosníkové systémy.

Horizontálne systémy používajú bočný röntgenový generátor na skenovanie produktov prechádzajúcich po dopravníku a primárne sa používajú pre balené produkty, ktoré sú vyššie než široké. Keďže kľúčovým faktorom citlivosti detekcie je hĺbka produktu, ktorým musia röntgenové lúče prejsť, horizontálne systémy zvyčajne ponúkajú lepšiu detekciu týchto produktov, pretože môžu skenovať boky kontajnerov.

Röntgenový kontrolný systém je v podstate skenovacie zariadenie. Keď produkt prechádza systémom konštantnou rýchlosťou, vnútorné senzory zachytávajú "odtieň šedej" produktu, ktorý sa generuje meraním množstva röntgenovej energie dopadajúcej na detektor.

Každý obrázok je zložený z pixelov a každý pixel má hodnotu označujúcu hodnotu v odtieňoch sivej (od čiernej 0 po bielu 255). Keď produkt alebo balík prechádza detektorom, každý riadok šedej vrstvy dát sa prebuduje, aby poskytol kompletný obraz produktu.

Softvér v rámci röntgenového systému analyzuje obraz a porovnáva ho s vopred stanoveným prijateľným štandardom. Na základe tohto porovnania systém buď prijme, alebo odmietne obraz a v prípade zamietnutia softvér pošle signál automatickému systému odmietnutia, ktorý potom produkt odstráni z výrobnej linky.

Diódy (jednotlivé prvky detektora) sú dostupné v rôznych veľkostiach, aby poskytli odlišné rozlíšenie obrazu. Menšie diódy vyžadujú vyššie hodnoty miliampérov (mA) na udržanie kvality obrazu, takže v tejto oblasti je to často kompromis.

Jedným z hlavných dôvodov, prečo sa röntgenová kontrola rýchlo stáva bežnou súčasťou potravinárskeho a farmaceutického priemyslu po celom svete, je to, že široká škála fyzikálnych kontaminantov (kovových aj nekovových) absorbuje viac röntgenového žiarenia než okolitý produkt, a preto sa na röntgenovom snímke jasne prejaví.

Detekcia kontaminácie priamo súvisí s hustotou produktu a kontaminantu. Väčšina potravinárskych produktov má podobnú hustotu ako voda, ktorá má špecifickú hmotnosť (SG) 1,0. Vo všeobecnosti platí, že ak potenciálny kontaminant pláva vo vode, je pravdepodobne ťažké ho odhaliť röntgenovou kontrolou.

Röntgenová inšpekcia má schopnosť odhaliť mnohé kontaminanty, vrátane skla, minerálnych kameňov, kalcifikovaných kostí a plastov a gumových zlúčenín s vysokou hustotou. Tvar, veľkosť a umiestnenie kontaminantu v produkte alebo typ použitého obalu môžu ovplyvniť úroveň citlivosti. Röntgenová kontrola tiež ponúka výnimočnú úroveň detekcie nehrdzavejúcej ocele a železných a neželezných kovov, dokonca aj v produktoch balených v plechovkách, metalizovaných fóliách alebo fóliách.

Röntgenové systémy môžu byť použité na detekciu kontaminantov v rôznych fázach výrobného procesu, v rôznych aplikáciách, od surovín vo veľkom toku až po balené hotové jedlá, až po produkty pumpované potrubím do produktov v sklenených pohároch, fľašiach alebo kovových plechovkách.

Röntgenové systémy dokážu detegovať kontaminanty rôznych veľkostí a pravdepodobnosť detekcie sa bude líšiť v závislosti od viacerých faktorov, vrátane hrúbky, homogenity, hustoty a veľkosti produktov. Napríklad röntgenové kontrolné systémy často dosahujú lepšiu detekciu pri homogénnych produktoch, ako je syr, pretože vytvárajú jasnejšie obrazy v porovnaní s nehomogénnymi produktmi, ako je krabica cereálií s rôznymi zložkami rôznej hustoty, t. j. vločkami, orechmi a sušeným ovocím.

Röntgenové systémy kontrolujú sypké sypké produkty predtým, než sú zabalené alebo pridané ako ingrediencie do hotového produktu. Typické aplikácie zahŕňajú orechy, extrudované snacky, sušené ovocie,  spracované mäso a obilniny a obilniny.

Citlivosť detekcie v produktoch s hromadným prietokom je zvyčajne lepšia ako vo finálnych uzavretých baleniach, pretože hĺbka produktu je zvyčajne oveľa menšia. Je možné dosiahnuť jednu vrstvu produktu alebo konštantnú hĺbku toku produktu, čo zlepšuje citlivosť detekcie.

Je potrebné zvážiť umiestnenie týchto strojov na výrobnej linke. Napríklad, ak sú umiestnené včas v procese, môžu kontrolovať prichádzajúce tovary alebo suroviny, čo umožňuje odstrániť kontaminanty priamo pri zdroji a okamžite ich vystopovať späť k dodávateľovi. Kontaminanty v prichádzajúcich tovaroch sú najväčšie a najľahšie detegovateľné, avšak ďalej po prúde existuje riziko, že sa počas výrobného procesu rozbijú na menšie, menej zistiteľné fragmenty, nehovoriac o tom, že predstavujú potenciálnu hrozbu poškodenia strojov. Skoré odstránenie cudzích látok v počiatočnej fáze výrobného procesu prináša množstvo výhod, vrátane zabránenia ďalšiemu pridávaniu hodnoty produktom prostredníctvom spracovania a balenia, čím sa minimalizuje odpad a celkové výrobné náklady.

Tieto systémy sú navrhnuté na kontrolu čerpaných produktov, typicky kvapalín, suspenzií a past, pred finálnym balením a pridanou hodnotou. Použitie zahŕňa omáčky, džemy, mleté mäso, hydinu, čokoládu, ovocné pyré a mliečne nátierky.

Lúč skenuje produkt počas jeho prechodu potrubím a deteguje produkt obsahujúci kontaminant, ktorý je potom odklonený od dobrého produktu cez odklonový ventil. Rovnako ako stroje s hromadným prietokom, röntgenový potrubný systém je zvyčajne umiestnený pred prúdom na skorú kontrolu produktu a ponúka vyššiu detekciu, pretože produkt je homogénny. Nájsť kontaminant v potrubnom systéme je oveľa jednoduchšie než v sklenenom pohári, hoci keďže sklenené balenie so sebou nesie riziká, môže byť potrebné mať na výrobnej linke viac ako jeden kritický kontrolný bod (CCP).

Maloobchodné balené produkty je možné kontrolovať rôznymi röntgenovými systémami v závislosti od konkrétnej aplikácie. Tieto röntgenové systémy možno rozdeliť do troch kategórií (alebo troch typov skrinkových systémov): vertikálne lúčové systémy, horizontálne lúčové systémy a systémy, ktoré sú ich kombináciou.

Vertikálne nosníkové systémy pre balené produkty

Röntgenové inšpekčné systémy využívajúce vertikálne lúče sa bežne používajú na sériových a potrubných výrobných linkách, ako aj na maloobchodných balených produktoch. Balené produkty kontrolované na vertikálnych nosníkových systémoch majú zvyčajne menšiu hĺbku (t. j. výšku) než šírku a dĺžku. Vertikálne nosníkové systémy skúmajú produkty cez ich vertikálny prierez (ktorý má najmenšiu hĺbku produktu), čo uľahčuje viditeľnosť vnútorných komponentov. Obraz vytvorený pomocou tejto geometrie lúča je pôdorysový pohľad na balík, ktorý umožňuje detailnú analýzu balíka, čím nakoniec poskytuje vysokú citlivosť a detekciu.

Horizontálne nosníkové systémy pre balené produkty

Horizontálne röntgenové systémy sa primárne používajú pre produkty v baleniach, kde výška balenia je väčšia ako jeho šírka (vysoké, pevné nádoby). Keďže kľúčovým faktorom citlivosti detekcie je hĺbka produktu, ktorým musia röntgenové lúče prejsť, horizontálne skenovanie zvyčajne vedie k lepšej detekčnej miere pre balíčky tohto dizajnu. Horizontálne nosníkové systémy sú dostupné v geometrii jedného alebo viacerých nosníkov, v závislosti od konkrétnej aplikácie.

Systémy s viacerými lúčmi

Hoci technológia zostáva rovnaká (ako horizontálne lúčové systémy), röntgenové systémy je možné prispôsobiť konkrétnym aplikáciám, čím sa optimalizuje pravdepodobnosť detekcie v aplikáciách, ako sú sklenené nádoby a iné typy vysokých a tuhých nádob.

Dva röntgenové lúče z jedného generátora (známeho ako rozdelený lúč) zvyšujú pravdepodobnosť detekcie kontaminantov, pretože dva obrazy sa vytvárajú súčasne z rôznych uhlov.

To je obzvlášť užitočné pri balení, ako sú kovové plechovky, kde je ťažké odhaliť kontamináciu v spodnej alebo bočnej stene plechovky.

Rozdeleným dvojitým lúčovým systémom rozdelený dvojitý lúč túto výzvu prekonáva, keďže každý kanister je snímaný dvakrát a každý obraz predstavuje iný uhol pozorovania, čím sa zvyšuje pokrytie vo vnútri kontajnera a pravdepodobnosť detekcie.

Dvojité röntgenové lúče z dvoch samostatných generátorov podobne zvyšujú detekciu tým, že poskytujú snímky z dvoch protiľahlých uhlov.

Produkty balené v sklenených fľašiach a pohároch patria medzi najnáročnejšie na kontrolu, pretože dno, bočné steny a krk môžu pri kontrole jedným röntgenovým lúčom spôsobiť "slepé miesta". Pravdepodobnosť detekcie je možné zvýšiť použitím viacerých röntgenových lúčov – kombinácie vertikálnych a horizontálnych lúčov. Napríklad jeden vertikálny a tri horizontálne röntgenové lúče budú súčasne skenovať produkt a vytvárať sériu snímok z rôznych uhlov, čím sa znížia slepé miesta a optimalizuje detekcia. Orientácia lúča môže byť tiež optimalizovaná pod rôznymi uhlami, aby vyhovovala typu nádoby a typu produktu.

Výber správneho typu nosníka pre konkrétnu aplikáciu je zložité rozhodnutie a možnosť "jedno riešenie pre všetkých" je zriedka možná. Z tohto dôvodu sa odporúča získať ďalšie rady od skúsených odborníkov na inšpekciu produktov a v mnohých prípadoch vykonať individuálne testovanie produktu.

Výrobcovia nepoužívajú len röntgenovú kontrolu na detekciu kontaminantov; Röntgenové systémy môžu súčasne vykonávať širokú škálu inline kontrol integrity a kvality produktu.

Ďalšie kontroly, ktoré môže röntgenový systém vykonať, zahŕňajú:

• Meranie zónovanej a hrubej hmotnosti
• Počítanie komponentov
• Identifikácia chýbajúcich alebo poškodených produktov
• Monitorovanie hladín plnenia
• Kontrola integrity tesnenia
• Kontrola poškodeného produktu a obalu
• Detekcia aglomerátov, ako sú chute a práškové hrudky
• Merací priestor nad hlavou

S rastúcimi predpismi o bezpečnosti potravín a farmaceutík naberajú na dôležitosti dodržiavanie predpisov a sledovateľnosť v každom štádiu životného cyklu produktu a röntgenová kontrola sa čoraz viac využíva výrobcami známych značiek na detekciu a odmietnutie kontaminovaných produktov.

Röntgenové kontrolné systémy dokážu nájsť kontaminanty v každej fáze výroby pre sypné, hromadné, čerpané a balené produkty, ale účinnosť technológie závisí od hustoty, hrúbky a homogenity produktu.

Röntgenové lúče neprechádzajú všetkými materiálmi rovnako ľahko a meranie rozdielov v absorpcii medzi produktom a kontaminantom je základom detekcie cudzích telies pri röntgenovej kontrole. Priehľadnosť materiálu voči röntgenovému žiareniu súvisí s jeho hustotou – čím hustejší produkt, tým viac röntgenových lúčov absorbuje a skryté kontaminanty, vrátane cudzích telies, ako sú sklo, kosti a kovy, sa objavujú, pretože absorbujú viac röntgenového žiarenia než okolitý produkt, čo znamená, že na snímke v odtieňoch sivej pôsobia tmavšie.

Hoci základné princípy röntgenovej kontroly sú rovnaké, ide o všestrannú technológiu a rôzne aplikácie vyžadujú rôzne röntgenové systémy. Výber správneho systému je kľúčový pre úspech röntgenovej kontroly, pretože kontaminanty nie je možné odhaliť, pokiaľ nie je každý prvok, od uhla lúča až po mechanizmus odmietnutia, vybraný tak, aby vyhovoval linke a produktu. Pochopenie rôznych formátov a ich vhodnosti pre rôzne typy výziev detekcie kontaminácie je preto základom špecifikácie a voľby systému.

Jedno je však isté – produkty, ktoré úspešne prejdú röntgenovými kontrolnými systémami, zvyšujú dôveru výrobcov potravín a farmaceutík v kvalitu a bezpečnosť ich produktov, čo im pomáha spĺňať priemyselné normy vrátane Global Food Safety Initiative (GFSI), British Retail Consortium (BRC), Food Safety System Certification 22000 (FSSC 22000), čínskeho zákona o bezpečnosti potravín a International Featured Standard for Food (IFS).