Hvordan finder røntgensystemer forurenende stoffer?

Røntgenstråler er en af flere naturligt forekommende kilder til stråling og er en usynlig form for elektromagnetisk stråling, såsom radiobølger.

Alle typer elektromagnetisk stråling er en del af et enkelt kontinuum kendt som det elektromagnetiske spektrum, som er arrangeret efter frekvens og bølgelængde. Den går fra radiobølger i den ene ende (som har en lang bølgelængde) til gammastråler i den anden (som har en kort bølgelængde).

Den korte bølgelængde på røntgenstråler gør det muligt for dem at passere gennem materialer, der er uigennemsigtige for synligt lys, men de passerer ikke lige så let igennem alle materialer. Gennemsigtigheden mellem et materiale og røntgenstråler er bredt relateret til dets densitet – jo tættere materialet er, desto færre røntgenstråler passerer igennem. Skjulte forurenende stoffer, herunder glas, forkalkede knogler og metal, viser sig, fordi de absorberer flere røntgenstråler end det omgivende produkt.

Enkelt sagt bruger et røntgensystem en røntgengenerator til at projicere en stråle af lavenergi-røntgenstråler på en sensor eller detektor.

Røntgeninspektion indebærer, at et produkt eller en pakke passerer gennem røntgenstrålen, før det når detektoren. Mængden af røntgenenergi, der absorberes under strålens passage gennem et produkt, påvirkes af produktets tykkelse, densitet og atomnummer.

Når produktet passerer gennem røntgenstrålen, når kun restenergien detektoren. Målingen af forskellene i absorption mellem produktet og en forurening er grundlaget for fremmedlegemedetektion ved røntgeninspektion.

Der er tre nøglekomponenter i et røntgeninspektionssystem:

• En røntgengenerator
• En detektor
• Et kontrolpanel

Røntgenstrålen genereres af et røntgenrør indkapslet i røntgengeneratoren. Den forlader gennem et udgangsvindue og bevæger sig i en lige linje gennem en kollimator (en enhed til at indsnævre røntgenstrålen til en mindre blæserstråle). Røntgenstrålen passerer derefter gennem det produkt eller den pakke, der undersøges, før den endelig når detektoren. Når dioderne når detektoren, omdanner de lysniveauet fra strålen til et elektrisk signal, som sendes tilbage til kontrolpanelet. Kontrolpanelet skaber derefter et 'gråtonet' røntgenbillede, som inspiceres og analyseres af et røntgenprogram, der derefter afgør, om det inspicerede produkt skal accepteres eller afvises.

Røntgengeneratoren indeholder et røntgenrør, som genererer en røntgenstråle.

Moderne røntgenrør består af en glashylster, en glødetrådkatode, en kobberanode og et wolframmål. Katoden, som er kilden til elektronerne, er en wolframtråd, der opvarmes til glød af en elektrisk strøm. Elektronerne accelereres til målet ved at påføre en høj spænding mellem anoden og katoden. Når elektronerne rammer wolframmålet, der er monteret inde i kobberanoden, decelererer de hurtigt, og denne deceleration skaber røntgenudsendelser.

Der findes to typer røntgenrør, der bruges til fødevare- og lægemiddelinspektion. Forskellen ligger i filtreringsmaterialet, der bruges til røntgenstrålen. Dette kan enten være et glas-/aluminiumfilter (mest almindeligt) eller alternativt et berylliumfilter. Berylliumfiltrering muliggør forbedret billedkontrast og øget følsomhed over for lavtæthedsforurenende stoffer som glas, sten og knogler, men fordelene er begrænset til tyndere pakker og bulk-flow-produkter.

Valget af det rette system er afgørende for succes med røntgeninspektion, da systemer ikke optimalt kan opdage forurenende stoffer, medmindre hvert element fra strålevinkel til afvisningsmekanisme er valgt til at passe bedst til anvendelsen. Røntgensystemer falder i tre kategorier: vertikal stråle, horisontal stråle og systemer, der er en kombination af de to.

De fleste røntgensystemer bruger en vertikal røntgenstråle fra generatoren til at scanne produktet, mens det passerer gennem røntgensystemet. Hurtigt bevægelige forbrugsvarer er som regel mindre i dybde end i bredde og længde, så inspektion af dem gennem det vertikale tværsnit, hvor den mindste produktdybde er, giver den bedste følsomhed. Maskiner til forseglede pakker, herunder produkter i flowwraps, poser, kompositkasser eller bakker, har typisk vertikale strålesystemer.

Horisontale systemer bruger en sidemonteret røntgengenerator til at scanne produkter, der passerer på transportbåndet, og bruges primært til pakkede produkter, der er højere end de er brede. Da en nøglefaktor for detektionsfølsomhed er dybden af produktet, som røntgenstrålerne skal passere igennem, tilbyder horisontale systemer som regel bedre detektion for disse produkter, da de kan scanne gennem siden af beholdere.

Et røntgeninspektionssystem er i bund og grund en scanningsenhed. Når et produkt passerer gennem systemet med konstant hastighed, optager interne sensorer et 'gråskala'-billede af produktet, som genereres ved at måle mængden af røntgenenergi, der når detektoren.

Hvert billede består af pixels, og hver pixel har en værdi, der angiver en værdi i en gråtone (fra sort 0 til hvid 255). Når produktet eller pakken passerer over detektoren, genopbygges hver linje af gråniveaudata for at give et komplet produktbillede.

Software inden for røntgensystemet analyserer billedet og sammenligner det med en forudbestemt acceptabel standard. På baggrund af denne sammenligning accepterer eller afviser systemet billedet, og i tilfælde af afvisning sender softwaren et signal til et automatisk afvisningssystem, som derefter fjerner produktet fra produktionslinjen.

Dioder (de enkelte elementer i detektoren) fås i forskellige størrelser for at give en forskellig billedopløsning. Mindre dioder kræver højere niveauer af milliampere (mA) for at opretholde billedkvaliteten, så dette er ofte et kompromis på dette område.

En af hovedårsagerne til, at røntgeninspektion hurtigt bliver et almindeligt træk i fødevare- og farmaceutiske industrier verden over, er, at en bred vifte af fysiske forurenende stoffer (både metalliske og ikke-metalliske) absorberer flere røntgenstråler end det omgivende produkt og derfor tydeligt fremgår af et røntgenbillede.

Forureningsdetektion er direkte relateret til produktets og forureningens densitet. De fleste fødevarer har en densitet, der ligner vand, og det har en specifik densitet (SG) på 1,0. Som en generel regel er det sandsynligvis svært at opdage en potentiel forurening, hvis en potentiel forurening flyder i vandet.

Røntgeninspektion har kapacitet til at opdage mange forurenende stoffer, herunder glas, mineralsten, forkalkede knogler samt plast- og gummiforbindelser med høj densitet. Formen, størrelsen og placeringen af et forurenende stof i et produkt eller typen af emballage, der bruges, kan påvirke følsomhedsniveauet. Røntgeninspektion tilbyder også exceptionelle niveauer af detektion af rustfrit stål samt jernholdige og ikke-jernholdige metaller, selv i produkter pakket i dåser, metalliseret film eller folie.

Røntgensystemer kan bruges til at opdage forurenende stoffer på forskellige stadier af produktionsprocessen, i en række anvendelser fra råprodukter i bulkflow til færdigpakkede færdigmåltider og produkter pumpet gennem en rørledning til produkter i glasbeholdere, flasker eller metaldåser.

Røntgensystemer kan opdage forurenende stoffer i forskellige størrelser, og sandsynligheden for opdagelse vil variere afhængigt af flere faktorer, herunder tykkelse, homogenitet, densitet og produktstørrelse. For eksempel har røntgeninspektionssystemer ofte bedre detektionsrater med homogene produkter, som ost, da de skaber klarere billeder sammenlignet med ikke-homogene produkter, såsom en æske morgenmadsprodukter med forskellige komponenter af forskellig densitet, dvs. flager, nødder og tørret frugt.

Røntgensystemer inspicerer løse bulkprodukter, før de pakkes eller tilsættes som ingredienser til et færdigt produkt. Typiske anvendelser omfatter nødder, ekstruderede snacks, tørret frugt, forarbejdet kød samt korn og korn.

Følsomheden ved detektion i bulk-flow produkter er som regel bedre end i endelige lukkede pakker, da produktets dybde typisk er meget mindre. Et enkelt lag produkt, eller en konstant dybde af produktflow, kan opnås og forbedrer følsomheden ved detektion.

Der bør tages hensyn til, hvor disse maskiner er placeret på produktionslinjen. For eksempel kan de, når de placeres tidligt i processen, inspicere indkommende varer eller råmaterialer, hvilket gør det muligt at fjerne forurenende stoffer ved kilden og straks spores tilbage til leverandøren. Forurenende stoffer i indkommende varer er på deres største og lettest opdagelige, men længere nedstrøms er der en risiko for, at de kan blive brudt op i mindre, mindre detekterbare fragmenter under fremstillingsprocessen, for ikke at nævne at de kan true skader på maskineriet. At eliminere fremmedlegemer tidligt i produktionsprocessen har adskillige fordele, herunder at forhindre yderligere værdi i produkterne gennem forarbejdning og pakning, hvilket minimerer spild og samlede produktionsomkostninger.

Disse systemer er designet til inspektion af pumpede produkter, typisk væsker, slurries og pastaer, før den endelige pakning og yderligere værdi tilføres. Anvendelser omfatter saucer, marmelade, hakket kød, fjerkræ, chokolade, frugtpuré og mælkepålæg.

En stråle scanner produktet, mens det passerer gennem et rør, og detekterer produkt, der indeholder et forurenende stof, som derefter ledes væk fra det gode produkt via en afledningsaflederventil. Ligesom bulkflow-maskiner er røntgenrørledningssystemet normalt placeret opstrøms for at inspicere produktet på et tidligt stadie og tilbyder forbedrede detektionsniveauer, da produktet er homogent. Det er meget lettere at finde et forurenende stof i et rørledningssystem end i et glasglas, selvom glasemballage indebærer sine egne risici, og der kan være behov for mere end ét Critical Control Point (CCP) på en produktionslinje.

Detailpakkede produkter kan inspiceres med en række røntgensystemer afhængigt af den enkelte anvendelse. Disse røntgensystemer kan grupperes i tre kategorier (eller tre typer skabssystemer): vertikale strålesystemer, horisontale strålesystemer og systemer, der er en kombination af de to.

Vertikale bjælkesystemer til pakkede produkter

Røntgeninspektionssystemer, der bruger vertikale stråler, anvendes ofte på bulk- og rørledningsproduktionslinjer samt på detailpakkede produkter. Pakkede produkter, der inspiceres på vertikale bjælkesystemer, er normalt mindre i dybden (dvs. højden) end i bredde og længde. Vertikale bjælkesystemer inspicerer produkter gennem deres vertikale tværsnit (som har mindst produktdybde), hvilket gør det lettere at se de interne komponenter. Billedet, der skabes ved hjælp af denne strålegeometri, er et planbillede af pakken, hvilket muliggør detaljeret analyse af pakken og i sidste ende giver høje niveauer af følsomhed og detektion.

Horisontale bjælkesystemer til pakkede produkter

Horisontale røntgensystemer bruges primært til produkter i pakker, hvor pakken er større end dens bredde (høje, stive beholdere). Da en nøglefaktor for detektionsfølsomhed er dybden af produktet, som røntgenstrålerne skal passere igennem, resulterer en horisontal scanning normalt i bedre detektionsrater for pakker af dette design. Horisontale bjælkesystemer findes i enkelt- eller flerbjælkegeometrier, afhængigt af den specifikke anvendelse.

Systemer med flere stråler

Selvom teknologien forbliver den samme (som horisontale strålesystemer), kan røntgensystemer tilpasses til bestemte anvendelser for at optimere sandsynligheden for opdagelse i anvendelser som glasbeholdere og andre typer høje og stive beholdere.

To røntgenstråler fra en enkelt generator (kendt som en delt stråle) øger sandsynligheden for at opdage forurenende stoffer, da to billeder skabes fra forskellige vinkler samtidig.

Dette er især nyttigt til emballage som metaldåser, hvor det er svært at opdage forurening i dåsens bund eller sidevægge.

Ved at aktivere to separate detektorer overvinder det splittede dobbeltstrålesystem denne udfordring, da hver dåse bliver fotograferet to gange, og hvert billede repræsenterer en forskellig synsvinkel, hvilket øger dækningen inde i beholderen og sandsynligheden for opdagelse.

Dobbelte røntgenstråler fra to separate generatorer øger ligeledes detektionen ved at levere billeder fra to modsatte vinkler.

Produkter pakket i glasflasker og glas er blandt de sværeste at inspicere, da bunden, sidevæggene og halsen kan forårsage 'blinde vinkler', når de inspiceres med en enkelt røntgenstråle. Sandsynligheden for opdagelse kan forbedres ved at bruge flere røntgenstråler – en kombination af vertikale og horisontale stråler. For eksempel vil én vertikal og tre horisontale røntgenstråler scanne produktet samtidig for at producere en række billeder fra forskellige vinkler, hvilket reducerer blinde vinkler og optimerer detektionen. Strålens orientering kan også optimeres i forskellige vinkler for at passe til beholderens type og produkttype.

At vælge den korrekte bjælketype til en specifik anvendelse er en kompleks beslutning, og en "én løsning passer til alle" er sjældent mulig. Af denne grund anbefales yderligere rådgivning fra erfarne produktinspektionsprofessionelle, og i mange tilfælde udføres individuelle produkttests.

Producenter bruger ikke kun røntgeninspektion til at opdage forurenende stoffer; Røntgensystemer kan samtidig udføre en bred vifte af inline produktintegritets- og kvalitetskontroller.

De yderligere kontroller, et røntgensystem kan udføre, omfatter:

• Måling af zone- og bruttomasse
• Optælling af komponenter
• Identificering af manglende eller ødelagte produkter
• Overvågning af fyldniveauer
• Inspektion af tætningsintegritet
• Kontrol for beskadiget produkt og emballage
• Opdagelse af agglomerater som smag og pulverklumper
• Måling af hovedrum

Med intensivere fødevare- og lægemiddelsikkerhedsregler bliver overholdelse og sporbarhed gennem hvert trin af et produkts livscyklus vigtigere, og røntgeninspektion anvendes i stigende grad af producenter af velkendte mærker til at opdage og afvise forurenede produkter.

Røntgeninspektionssystemer kan finde forurenende stoffer på alle produktionsstadier for løse, bulk-, pumpe- og pakkede produkter, men teknologiens effektivitet afhænger af produktets densitet, tykkelse og homogenitet.

Røntgenstråler passerer ikke lige let gennem alle materialer, og måling af forskellene i absorption mellem produktet og et forurenende stof er grundlaget for fremmedlegemedetektion ved røntgeninspektion. Gennemsigtigheden mellem et materiale og røntgenstråler er bredt relateret til dets tæthed – jo tættere et produkt er, desto flere røntgenstråler absorberer det, og skjulte forurenende stoffer, herunder fremmedlegemer som glas, knogler og metal, viser sig, fordi de absorberer flere røntgenstråler end det omgivende produkt, hvilket betyder, at de fremstår mørkere på et gråtonebillede.

Selvom de grundlæggende principper for røntgeninspektion er de samme, er det en alsidig teknologi, og forskellige anvendelser kræver forskellige røntgensystemer. Valget af det rigtige system er afgørende for røntgeninspektionens succes, da forurenende stoffer ikke kan opdages, medmindre hvert element, fra strålevinkel til afvisningsmekanisme, er udvalgt til at passe til linjen og produktet. En forståelse af de forskellige formater og deres egnethed til forskellige typer forureningsdetektionsudfordringer danner derfor grundlaget for systemspecifikation og valg.

Dog er én ting sikkert: Produkter, der med succes består røntgeninspektionssystemer, øger fødevare- og farmaceutiske producenters tillid til kvaliteten og sikkerheden af deres produkter og hjælper dem med at overholde branchestandarder, herunder Global Food Safety Initiative (GFSI), British Retail Consortium (BRC), Food Safety System Certification 22000 (FSSC 22000), den kinesiske fødevaresikkerhedslov og International Featured Standard for Food (IFS).