Jak rentgenové systémy nacházejí kontaminanty?

Rentgenové záření je jedním z několika přirozeně se vyskytujících zdrojů záření a představuje neviditelnou formu elektromagnetického záření, například rádiové vlny.

Všechny typy elektromagnetického záření jsou součástí jednoho kontinua známého jako elektromagnetické spektrum, které je uspořádáno podle frekvence a vlnové délky. Na jednom konci se pohybuje od rádiových vln (které mají dlouhou vlnovou délku) až po gama záření na druhém (které mají krátkou vlnovou délku).

Krátká vlnová délka rentgenového záření jim umožňuje procházet materiály, které jsou pro viditelné světlo neprůhledné, ale ne všechny materiály procházejí stejnou lehkostí. Průhlednost materiálu vůči rentgenovému záření je obecně spojena s jeho hustotou – čím hustší materiál, tím méně rentgenových paprsků prochází. Skryté kontaminanty, včetně skla, kalcifikovaných kostí a kovů, se objevují, protože absorbují více rentgenového záření než okolní produkt.

Jednoduše řečeno, rentgenový systém využívá generátor rentgenového záření k promítání paprsku nízkoenergetického rentgenového záření na senzor nebo detektor.

Rentgenová inspekce spočívá v průchodu produktu nebo balíčku skrz rentgenový paprsek dříve, než dorazí k detektoru. Množství rentgenové energie absorbované během průchodu svazku produktem je ovlivněno tloušťkou, hustotou a atomovým číslem produktu.

Když produkt prochází rentgenovým paprskem, k detektoru se dostane pouze zbytková energie. Měření rozdílů v absorpci mezi produktem a kontaminantem je základem detekce cizích těles při rentgenové inspekci.

Rentgenový inspekční systém má tři klíčové komponenty:

• Rentgenový generátor
• Detektor
• Ovládací panel

Rentgenový paprsek je generován rentgenovou trubicí uzavřenou v generátoru rentgenového záření. Odchází přes výstupní okno a putuje přímou linií přes kolimátor (zařízení pro zúžení proudu rentgenového záření na menší ventilátorový paprsek). Rentgenový paprsek pak prochází produktem nebo balíčkem, který je zkoumán, než nakonec dorazí k detektoru. Po dosažení detektoru diody převádějí úroveň světla z paprsku na elektrický signál, který je odeslán zpět na ovládací panel. Ovládací panel pak vytvoří rentgenový obraz v odstínech šedi, který je zkontrolován a analyzován rentgenovým softwarem, jenž pak rozhodne, zda bude kontrolovaný produkt přijat nebo odmítnut.

Rentgenový generátor obsahuje rentgenovou trubici, která generuje rentgenový paprsek.

Moderní rentgenové trubice se skládají ze skleněného obalu, katody z vlákna, měděné anody a wolframového terče. Katoda, která je zdrojem elektronů, je wolframové vlákno zahřáté elektrickým proudem na žhavici. Elektrony jsou urychlovány k cíli aplikací vysokého napětí mezi anodou a katodou. Když elektrony zasáhnou wolframový terč umístěný uvnitř měděné anody, rychle zpomalí a toto zpomalení vytváří rentgenové záření.

Existují dva typy rentgenových trubic používaných pro kontrolu potravin a farmaceutických výrobků. Rozdíl spočívá v filtračním materiálu použitém pro rentgenový paprsek. Může to být buď skleněný/hliníkový filtr (nejběžnější), nebo alternativně beryliový filtr. Beryliová filtrace umožňuje lepší kontrast obrazu a zvýšenou citlivost na kontaminanty s nižší hustotou, jako je sklo, kámen a kost, avšak výhody jsou omezeny na tenčí balíčky a produkty s objemovým průtokem.

Výběr správného systému je zásadní pro úspěch rentgenové inspekce, protože systémy nemohou optimálně detekovat kontaminanty, pokud není každý prvek od úhlu paprsku až po mechanismus odmítání zvolen tak, aby nejlépe vyhovoval dané aplikaci. Rentgenové systémy se dělí do tří kategorií: vertikální paprsek, horizontální paprsek a systémy, které jsou kombinací obou.

Většina rentgenových systémů používá vertikální rentgenový paprsek z generátoru ke skenování produktu při průchodu rentgenovým systémem. Rychle se pohybující spotřební zboží je obvykle menší hloubkou než šířkou a délkou, takže jejich kontrola přes vertikální průřez, kde je nejmenší hloubka produktu, poskytuje nejlepší citlivost. Stroje pro uzavřené balení, včetně produktů v flow wrapech, sáčcích, kompozitních kartonech nebo tácích, mají tendenci mít vertikální nosníkové systémy.

Horizontální systémy používají bočně umístěný rentgenový generátor ke skenování produktů procházejících po dopravníkovém pásu a primárně se používají pro balené produkty, které jsou vyšší než široké. Protože klíčovým faktorem citlivosti detekce je hloubka produktu, kterým musí rentgenové paprsky projít, horizontální systémy obvykle nabízejí lepší detekci těchto produktů, protože mohou skenovat skrz boky nádob.

Rentgenový inspekční systém je v podstatě skenovací zařízení. Když produkt prochází systémem konstantní rychlostí, vnitřní senzory zachytí "šedotónový" obraz produktu, který vzniká měřením množství rentgenové energie dopadající na detektor.

Každý obrázek je složen z pixelů a každý pixel má hodnotu, která označuje hodnotu v odstínech šedi (od černé 0 po bílou 255). Jak produkt nebo balíček prochází detektorem, každý řádek šedivých dat je znovu sestaven, aby poskytl kompletní obraz produktu.

Software v rentgenovém systému analyzuje obraz a porovnává jej s předem stanoveným přijatelným standardem. Na základě tohoto srovnání systém buď obraz přijme, nebo odmítne, a v případě odmítnutí software odešle signál automatickému systému odmítnutí, který pak produkt odstraní z výrobní linky.

Diody (jednotlivé prvky detektoru) jsou dostupné v různých velikostech, aby se dosáhlo různého rozlišení obrazu. Menší diody vyžadují vyšší hodnoty miliampérů (mA) pro udržení kvality obrazu, takže je to v této oblasti často kompromis.

Jedním z hlavních důvodů, proč se rentgenová inspekce rychle stává běžnou součástí potravinářského a farmaceutického průmyslu po celém světě, je to, že široká škála fyzikálních kontaminantů (kovových i nekovových) absorbuje více rentgenového záření než okolní produkt a proto se na rentgenovém snímku jasně projeví.

Detekce kontaminace přímo souvisí s hustotou produktu a kontaminantu. Většina potravinářských produktů má podobnou hustotu jako voda, která má měrnou hmotnost (SG) 1,0. Obecně platí, že pokud potenciální kontaminant plave ve vodě, je pravděpodobně obtížné jej pomocí rentgenové kontroly odhalit.

Rentgenová inspekce má schopnost odhalit mnoho kontaminantů, včetně skla, minerálních kamenů, kalcifikovaných kostí a vysoce hustých plastů a kaučukových sloučenin. Tvar, velikost a umístění kontaminantu v produktu nebo typ použitého obalu může ovlivnit úroveň citlivosti. Rentgenová inspekce také nabízí výjimečnou úroveň detekce nerezové oceli a železných i neželezných kovů, a to i u výrobků balených v plechovkách, metalizovaných fóliích nebo fóliích.

Rentgenové systémy lze použít k detekci kontaminantů v různých fázích výrobního procesu, v různých aplikacích od surovin ve velkém průtoku přes balená hotová jídla až po produkty pumpované potrubím do skleněných sklenic, lahví nebo kovových plechovek.

Rentgenové systémy dokážou detekovat kontaminanty různých velikostí a pravděpodobnost detekce se liší v závislosti na několika faktorech, včetně tloušťky, homogenity, hustoty a velikosti produktů. Například rentgenové inspekční systémy často dosahují lepší detekční míry u homogenních produktů, jako je sýr, protože vytvářejí jasnější obraz ve srovnání s nehomogenními produkty, jako je krabice cereálií s různými složkami různé hustoty, tj. vločky, ořechy a sušené ovoce.

Rentgenové systémy kontrolují sypké sypké produkty před jejich zabalením nebo přidáním jako ingredience do hotového produktu. Typické aplikace zahrnují ořechy, extrudované svačiny, sušené ovoce, zpracované maso a cereálie a obiloviny.

Citlivost detekce u produktů s hromadným průtokem je obvykle lepší než u finálních uzavřených balení, protože hloubka produktu je obvykle mnohem menší. Lze dosáhnout jedné vrstvy produktu nebo konstantní hloubky toku produktu, což zlepšuje citlivost detekce.

Je třeba zvážit umístění těchto strojů na výrobní lince. Například při včasném umístění mohou kontrolovat přicházející zboží nebo suroviny, což umožňuje odstranění kontaminantů přímo u zdroje a jejich okamžité sledování zpět k dodavateli. Kontaminanty v příchozím zboží jsou největší a nejlépe detekovatelné, avšak dále po proudu hrozí, že se během výroby rozbijí na menší, méně detekovatelné fragmenty, nemluvě o tom, že představují potenciální hrozbu poškození strojů. Odstranění cizích látek v rané fázi výrobního procesu má řadu výhod, včetně zabránění dalšímu přidávání hodnoty produktům prostřednictvím zpracování a balení, čímž se minimalizuje odpad a celkové výrobní náklady.

Tyto systémy jsou navrženy pro kontrolu čerpaných produktů, obvykle kapalin, suspenzí a past, před finálním balením a dalším přidáním hodnoty. Aplikace zahrnují omáčky, džemy, mleté maso, drůbež, čokoládu, ovocné pyré a mléčné pomazánky.

Paprsek skenuje produkt při průchodu potrubím a detekuje produkt obsahující kontaminant, který je poté odkloněn od dobrého produktu pomocí odklonového ventilu. Stejně jako stroje s hromadným průtokem je rentgenový systém potrubí obvykle umístěn výše po proudu pro včasnou inspekci produktu a nabízí vyšší úroveň detekce, protože produkt je homogenní. Najít kontaminant v potrubním systému je mnohem jednodušší než v skleněné sklenici, i když vzhledem ke skleněnému balení s sebou nese svá rizika, může být potřeba více než jednoho kritického kontrolního bodu (CCP) na výrobní lince.

Maloobchodní balené produkty lze kontrolovat různými rentgenovými systémy v závislosti na konkrétní aplikaci. Tyto rentgenové systémy lze rozdělit do tří kategorií (nebo tří typů skříní): vertikální paprskové systémy, horizontální paprsky a systémy kombinující obojí.

Vertikální paprskové systémy pro balené produkty

Rentgenové inspekční systémy využívající vertikální paprsky se běžně používají na sériových a potrubních výrobních linkách, stejně jako na maloobchodních balených produktech. Balené produkty kontrolované na vertikálních nosníkových systémech jsou obvykle menší v hloubce (tj. výšce) než v šířce a délce. Vertikální nosníkové systémy kontrolují produkty skrze jejich vertikální průřez (který má nejmenší hloubku produktu), což usnadňuje viditelnost vnitřních komponent. Obraz vytvořený pomocí této geometrie paprsku je půdorysový pohled na batoh, který umožňuje detailní analýzu balíku a nakonec poskytuje vysokou citlivost a detekci.

Horizontální paprskové systémy pro balené produkty

Horizontální rentgenové systémy se primárně používají pro produkty v baleních, kde je výška balíčku větší než jeho šířka (vysoké, pevné obaly). Protože klíčovým faktorem citlivosti detekce je hloubka produktu, kterým musí rentgenové paprsky projít, horizontální sken obvykle vede k lepším detekčním schopnostem u balíčků tohoto designu. Horizontální nosníkové systémy jsou dostupné v jedné nebo více geometriích nosníků, v závislosti na konkrétní aplikaci.

Systémy s více paprsky

Zatímco technologie zůstává stejná (jako horizontální paprsky), rentgenové systémy lze přizpůsobit konkrétním aplikacím, aby se optimalizovala pravděpodobnost detekce v aplikacích, jako jsou skleněné sklenice a jiné typy vysokých a tuhých nádob.

Dva rentgenové paprsky z jednoho generátoru (známého jako rozdělený paprsek) zvyšují pravděpodobnost detekce kontaminantů, protože dva snímky jsou vytvářeny současně z různých úhlů.

To je zvláště užitečné pro obaly, jako jsou kovové plechovky, kde je obtížné odhalit kontaminaci na spodní nebo boční stěně plechovky.

Tím, že udeří do dvou samostatných detektorů, split dual-beam systém tuto výzvu překonává, protože každá nádoba je snímána dvakrát a každý obraz představuje jiný úhel pozorování, čímž se zvyšuje pokrytí uvnitř kontejneru a pravděpodobnost detekce.

Dvojité rentgenové paprsky ze dvou samostatných generátorů podobně zvyšují detekci tím, že poskytují snímky ze dvou protilehlých úhlů.

Produkty balené ve skleněných lahvích a sklenicích patří mezi nejnáročnější na kontrolu, protože dno, boční stěny a hrdlo mohou při kontrole jedním rentgenovým paprskem způsobit "slepá místa". Pravděpodobnost detekce lze zvýšit použitím více rentgenových paprsků – kombinace vertikálních a horizontálních paprsků. Například jeden vertikální a tři horizontální rentgenové paprsky budou současně skenovat produkt a vytvářet sérii snímků z různých úhlů, čímž se sníží slepá místa a optimalizuje detekce. Orientace svazku může být také optimalizována pod různými úhly, aby vyhovovala typu nádoby a typu produktu.

Výběr správného typu nosníku pro konkrétní aplikaci je složité rozhodnutí a možnost "jedno řešení pro všechny" je jen zřídka možná. Z tohoto důvodu se doporučuje získat další rady od zkušených odborníků na inspekci produktů a v mnoha případech provádět individuální testování produktu.

Výrobci nepoužívají rentgenovou kontrolu pouze k detekci kontaminantů; Rentgenové systémy mohou současně provádět širokou škálu inline kontrol integrity a kvality produktu.

Další kontroly, které může rentgenový systém provést, zahrnují:

• Měření zónované a hrubé hmotnosti
• Počítání složek
• Identifikace chybějících nebo poškozených produktů
• Monitorování hladiny vyplnění
• Kontrola integrity těsnění
• Kontrola poškození produktů a obalů
• Detekce aglomerátů, jako jsou hrudky chuti a prášku
• Měřicí prostor nad hlavou

S rostoucími bezpečnostními předpisy pro potraviny a farmaceutické produkty nabývají na významu dodržování souladu a sledovatelnosti v každé fázi životního cyklu produktu a rentgenová inspekce je stále častěji využívána výrobci známých značek k detekci a odmítání kontaminovaných produktů.

Rentgenové inspekční systémy dokážou odhalit kontaminanty v každé fázi výroby u sypkých, hromadných, pumpovaných a balených produktů, ale účinnost technologie závisí na hustotě, tloušťce a homogenitě produktu.

Rentgenové záření neprochází všemi materiály stejnou snadností a měření rozdílů v absorpci mezi produktem a kontaminantem je základem detekce cizích těles při rentgenové inspekci. Průhlednost materiálu vůči rentgenovému záření je široce spojena s jeho hustotou – čím hustší je produkt, tím více rentgenového záření absorbuje a skryté kontaminanty, včetně cizích těles jako sklo, kost a kov, se objevují, protože absorbují více rentgenového záření než okolní produkt, což znamená, že na šedém snímku vypadají tmavší.

Ačkoliv základní principy rentgenové inspekce jsou stejné, jedná se o všestrannou technologii a různé aplikace vyžadují různé rentgenové systémy. Výběr správného systému je klíčový pro úspěch rentgenové inspekce, protože kontaminanty nelze detekovat, pokud není každý prvek, od úhlu paprsku až po mechanismus odmítání, vybrán tak, aby odpovídal potrubí a produktu. Porozumění různým formátům a jejich vhodnosti pro různé typy výzev detekce kontaminace proto tvoří základ specifikace a volby systému.

Jedno je však jisté: produkty, které úspěšně projdou rentgenovými inspekcemi, zvyšují důvěru výrobců potravin a farmaceutických výrobků v kvalitu a bezpečnost jejich výrobků, což jim pomáhá splňovat průmyslové standardy, včetně Global Food Safety Initiative (GFSI), British Retail Consortium (BRC), Food Safety System Certification 22000 (FSSC 22000), čínského zákona o bezpečnosti potravin a International Featured Standard for Food (IFS).