كيف تكتشف أنظمة الأشعة السينية الملوثات؟

الأشعة السينية هي واحدة من عدة مصادر طبيعية للإشعاع، وهي شكل غير مرئي من الإشعاع الكهرومغناطيسي، مثل الموجات الراديوية.

جميع أنواع الإشعاع الكهرومغناطيسي جزء من طيف واحد يعرف بالطيف الكهرومغناطيسي، والذي يرتب حسب التردد والطول الموجي. يمتد من موجات راديوية في أحد الأطراف (التي لها طول موجي طويل) إلى أشعة غاما في الطرف الآخر (التي لها طول موجي قصير).

الطول الموجي القصير للأشعة السينية يمكنها من المرور عبر مواد معتمة للضوء المرئي، لكنها لا تمر عبر جميع المواد بنفس السهولة. ترتبط شفافية المادة بالأشعة السينية بشكل عام بكثافتها — كلما زادت كثافة المادة، قل عدد الأشعة السينية التي تمر من خلالها. تظهر الملوثات الخفية، بما في ذلك الزجاج والعظم المتكلس والمعادن، لأنها تمتص أشعة سينية أكثر من المنتج المحيط.

بعبارات بسيطة، يستخدم نظام الأشعة السينية مولد أشعة إكس لإسقاط شعاع من الأشعة السينية منخفضة الطاقة على حساس أو كاشف.

يتضمن فحص الأشعة السينية تمرير منتج أو عبوة عبر شعاع الأشعة السينية قبل أن تصل إلى الكاشف. كمية طاقة الأشعة السينية التي تمتصها خلال مرور الحزمة عبر المنتج تتأثر بسماكة المنتج وكثافته وعددها الذري.

عندما يمر المنتج عبر شعاع الأشعة السينية، تصل الطاقة المتبقية فقط إلى الكاشف. يعد قياس الفروق في الامتصاص بين المنتج والملوث هو أساس اكتشاف الأجسام الغريبة في فحص الأشعة السينية.

هناك ثلاثة مكونات رئيسية لنظام فحص الأشعة السينية:

• مولد أشعة إكس
• كاشف
• لوحة تحكم

يتم توليد شعاع الأشعة السينية بواسطة أنبوب أشعة سينية مغلف داخل مولد الأشعة السينية. يخرج عبر نافذة خروج ويتحرك في خط مستقيم عبر جهاز الموازئ (وهو جهاز لتضييق تدفق الأشعة السينية إلى شعاع مروحة أصغر). يمر شعاع الأشعة السينية بعد ذلك عبر المنتج أو العبوة التي يتم فحصها، قبل أن يصل أخيرا إلى الكاشف. عند الوصول إلى الكاشف، تقوم الثنائيات بتحويل مستوى الضوء من الشعاع إلى إشارة كهربائية، ثم تعاد إلى لوحة التحكم. ثم تنشئ لوحة التحكم صورة أشعة سينية 'رمادية' يتم فحصها وتحليلها بواسطة برنامج أشعة سينية، والذي يحدد بعد ذلك قبول أو رفض المنتج المفحص.

يحتوي مولد الأشعة السينية على أنبوب أشعة سينية يولد شعاعا من الأشعة السينية.

تتكون أنابيب الأشعة السينية الحديثة من غلاف زجاجي، وكاثود خيوط، وأنود نحاسي، وهدف من التنجستن. الكاثود الذي يشكل مصدر الإلكترونات هو خيط تنجستن يسخن إلى التوهج بواسطة تيار كهربائي. يتم تسريع الإلكترونات نحو الهدف عن طريق تطبيق جهد عالي بين الأنود والكاثود. عندما تصطدم الإلكترونات بهدف التنجستن المثبت داخل الأنود النحاسي، تتباطأ بسرعة وهذا التباطؤ يخلق انبعاثات الأشعة السينية.

هناك نوعان من أنابيب الأشعة السينية تستخدم لفحص الأغذية والأدوية. الفرق يكمن في مادة الترشيح المستخدمة لشعاع الأشعة السينية. قد يكون هذا إما فلتر زجاجي/ألمنيوم (الأكثر شيوعا) أو مرشح بيريليوم. يسمح ترشيح البيريليوم بتباين أكبر في الصورة وتحسين الحساسية للملوثات منخفضة الكثافة مثل الزجاج والحجر والعظم، ومع ذلك، تقتصر الفوائد على العبوات الأرق ومنتجات التدفق الجماعي.

اختيار النظام المناسب أمر أساسي لنجاح فحص الأشعة السينية، حيث لا يمكن للأنظمة اكتشاف الملوثات بشكل مثالي إلا إذا تم اختيار كل عنصر من زاوية الشعاع إلى آلية الرفض ليتناسب بشكل أفضل مع التطبيق. تنقسم أنظمة الأشعة السينية إلى ثلاث فئات: الشعاع الرأسي، الشعاع الأفقي والأنظمة التي تجمع بين الاثنين.

تستخدم معظم أنظمة الأشعة السينية شعاعا عموديا من المولد لمسح المنتج أثناء مروره عبر النظام. عادة ما تكون السلع الاستهلاكية سريعة الحركة أصغر في العمق من عرضها وطولها، لذا فإن فحصها من خلال المقطع العرضي الرأسي حيث يكون أقل عمق للمنتج يوفر أفضل حساسية. تميل آلات العبوات المغلقة، بما في ذلك المنتجات الموجودة في لفائف التدفق، الأكياس، العلب المركبة أو الصواني، إلى أنظمة شعاع عمودي.

تستخدم الأنظمة الأفقية مولد أشعة سينية مثبت على الجانب لمسح المنتجات التي تمر عبر سير الناقل، وتستخدم بشكل أساسي للمنتجات المعبأة التي تكون أطول من عرضها. نظرا لأن العامل الرئيسي في حساسية الكشف هو عمق المنتج الذي يجب أن تمر من خلاله الأشعة السينية، فإن الأنظمة الأفقية عادة ما توفر اكتشافا أفضل لهذه المنتجات لأنها تستطيع المسح عبر جوانب الحاويات.

نظام فحص الأشعة السينية هو في الأساس جهاز مسح ضوئي. عندما يمر المنتج عبر النظام بسرعة ثابتة، تلتقط الحساسات الداخلية صورة 'رمادية' للمنتج، يتم توليدها بقياس كمية طاقة الأشعة السينية التي تصل إلى الكاشف.

كل صورة تتكون من بكسلات ولكل بكسل قيمة تدل على قيمة على التدرج الرمادي (من الأسود 0 إلى الأبيض 255). عندما يمر المنتج أو الحزمة فوق الكاشف، يتم إعادة بناء كل خط من بيانات المستوى الرمادي لتوفير صورة منتج كاملة.

يقوم البرنامج داخل نظام الأشعة السينية بتحليل الصورة ومقارنتها بمعيار مقبول محدد مسبقا. استنادا إلى هذه المقارنة، إما أن يقبل النظام الصورة أو يرفضها، وفي حالة الرفض، يرسل البرنامج إشارة إلى نظام الرفض التلقائي، الذي يقوم بإزالة المنتج من خط الإنتاج.

الديودات (العناصر الفردية للكاشف) متوفرة بأحجام مختلفة لإعطاء دقة صورة مختلفة. الدايودات الصغيرة تتطلب مستويات أعلى من الميلي أمبير (mA) للحفاظ على جودة الصورة، لذا غالبا ما يكون هذا مقايضة في هذا المجال.

أحد الأسباب الرئيسية التي تجعل فحص الأشعة السينية يصبح سمة شائعة بسرعة في صناعات الأغذية والأدوية حول العالم هو أن مجموعة واسعة من الملوثات الفيزيائية (المعدنية وغير المعدنية) تمتص أشعة سينية أكثر من المنتج المحيط، وبالتالي تظهر بوضوح في صورة الأشعة السينية.

يرتبط اكتشاف التلوث مباشرة بكثافة المنتج والملوث. معظم المنتجات الغذائية لها كثافة مشابهة للماء، حيث أن الكثافة النوعية (SG) تبلغ 1.0. كقاعدة عامة، إذا طفو ملوث محتمل في الماء، فمن المحتمل أن يكون من الصعب اكتشافه باستخدام فحص الأشعة السينية.

يمتلك فحص الأشعة السينية القدرة على اكتشاف العديد من الملوثات، بما في ذلك الزجاج، والحجر المعدني، والعظم المتكلس، والبلاستيك والمركبات المطاطية عالية الكثافة. شكل وحجم وموقع الملوث داخل المنتج أو نوع التغليف المستخدم يمكن أن يؤثر على مستويات الحساسية. يوفر فحص الأشعة السينية أيضا مستويات استثنائية من الكشف عن الفولاذ المقاوم للصدأ والمعادن الحديدية وغير الحديدية، حتى في المنتجات المغلفة في علب، أو أفلام معدنية، أو رقائق الألمنيوم.

يمكن استخدام أنظمة الأشعة السينية للكشف عن الملوثات في مراحل مختلفة من عملية الإنتاج، في مجموعة من التطبيقات من المنتجات الخام في التدفق السائب إلى الوجبات الجاهزة المعبأة، والمنتجات التي تضخ عبر خط أنابيب إلى المنتجات في برطمانات زجاجية أو زجاجات أو علب معدنية.

يمكن لأنظمة الأشعة السينية اكتشاف الملوثات بأحجام مختلفة، واحتمالية الكشف تختلف حسب عدة عوامل، منها السماكة، والتجانس، والكثافة، وحجم المنتجات. على سبيل المثال، غالبا ما توفر أنظمة فحص الأشعة السينية معدلات كشف أفضل مع المنتجات المتجانسة مثل الجبن، لأنها تخلق صورا أوضح مقارنة بالمنتجات غير المتجانسة مثل علبة حبوب تحتوي على مكونات مختلفة بكثافة مختلفة مثل رقائق المكسرات والفواكه المجففة.

تقوم أنظمة الأشعة السينية بفحص المنتجات السائبة قبل تعبئتها أو إضافتها كمكونات للمنتج النهائي. تشمل التطبيقات النموذجية المكسرات، والوجبات الخفيفة المبثقة، والفواكه المجففة، واللحوم المصنعة، والحبوب والحبوب.

عادة ما تكون حساسية الكشف في منتجات التدفق الجماعي أفضل من الحزم المغلقة النهائية لأن عمق المنتج عادة ما يكون أقل بكثير. يمكن تحقيق طبقة واحدة من المنتج، أو عمق ثابت من تدفق المنتج، مما يحسن حساسية الكشف.

يجب النظر في موقع هذه الآلات في خط الإنتاج. على سبيل المثال، عند وضعها في وقت مبكر من العملية، يمكنها فحص البضائع أو المواد الخام الواردة، مما يسمح بإزالة الملوثات من المصدر وتتبعها فورا إلى المورد. الملوثات في البضائع الواردة تكون في أكبرها وأسهل اكتشافها، ومع ذلك، في المراحل التالية، هناك احتمال أن تتحطم إلى شظايا أصغر وأقل قابلية للكشف أثناء عملية التصنيع، ناهيك عن أنها تشكل تهديدا محتملا بالضرر للآلات. للقضاء على الأجسام الغريبة في وقت مبكر من عملية الإنتاج العديد من المزايا، بما في ذلك منع إضافة قيمة إضافية للمنتجات من خلال المعالجة والتغليف، مما يقلل من الهدر وتكاليف الإنتاج الإجمالية.

تم تصميم هذه الأنظمة لفحص المنتجات المضخوة، عادة السوائل والمخازن والمعجون قبل التعبئة النهائية وإضافة قيمة إضافية. تشمل التطبيقات الصلصات، المربى، اللحوم المفرومة، الدواجن، الشوكولاتة، هريس الفواكه ومنتجات الألبان.

يقوم شعاع بمسح المنتج أثناء مروره عبر أنبوب ويكتشف المنتج الذي يحتوي على ملوث، ثم يتم تحويل المنتج بعيدا عن المنتج الجيد عبر صمام تحويل مرفوض. مثل آلات التدفق الجماعي، عادة ما يكون نظام أنابيب الأشعة السينية موجودا في أعلى التيار لفحص المنتج في مرحلة مبكرة ويوفر مستويات كشف محسنة لأن المنتج متجانس. العثور على ملوث في نظام خطوط الأنابيب أسهل بكثير من العثور عليه في جرة زجاجية، رغم أن تغليف الزجاج يحمل مخاطره الخاصة، فقد تكون هناك حاجة لأكثر من نقطة تحكم حرجة (CCP) واحدة في خط الإنتاج.

يمكن فحص المنتجات المعبأة للبيع بالتجزئة بواسطة مجموعة من أنظمة الأشعة السينية حسب التطبيق الفردي. يمكن تصنيف هذه الأنظمة إلى ثلاث فئات (أو ثلاثة أنواع من أنظمة الخزائن): أنظمة الشعاع الرأسي، أنظمة الشعاع الأفقي، والأنظمة التي تجمع بين الاثنين.

أنظمة الحزمة الرأسية للمنتجات المعبأة

تستخدم أنظمة فحص الأشعة السينية باستخدام الأشعة الرأسية عادة في خطوط الإنتاج بالجملة وخطوط الأنابيب وكذلك في المنتجات المعبأة بالتجزئة. المنتجات المعبأة التي يتم فحصها على أنظمة الحزمة الرأسية عادة ما تكون أصغر في العمق (أي الارتفاع) من عرضها وطولها. تقوم أنظمة العوارض الرأسية بفحص المنتجات من خلال مقطعها العرضي العمودي (الذي له أقل عمق للمنتج)، مما يسهل رؤية المكونات الداخلية. الصورة التي يتم إنشاؤها باستخدام هذه الهندسة الشعاعية هي عرض مخطط للحزمة تسمح بتحليل تفصيلي للحزمة، مما يوفر في النهاية مستويات عالية من الحساسية والكشف.

أنظمة الحزمة الأفقية للمنتجات المعبأة

تستخدم أنظمة الأشعة السينية بالشعاع الأفقي بشكل أساسي للمنتجات الموجودة في الحزم، حيث يكون ارتفاع الحزمة أكبر من عرضها (الحاويات الطويلة والصلبة). نظرا لأن العامل الرئيسي في حساسية الكشف هو عمق المنتج الذي يجب أن تمر من خلاله الأشعة السينية، فإن المسح الأفقي عادة ما يؤدي إلى معدلات كشف أفضل لحزم هذا التصميم. تتوفر أنظمة الشعاع الأفقي بأشكال هندسية من شعاع واحد أو متعدد، حسب التطبيق المحدد.

أنظمة الحزمة المتعددة

بينما تبقى التقنية كما هي (مثل أنظمة الشعاع الأفقي)، يمكن تكييف أنظمة الأشعة السينية لتناسب تطبيقات معينة باستخدام ذلك، لتحسين احتمال الكشف في تطبيقات مثل الجرار الزجاجية وأنواع الحاويات الطويلة والصلبة الأخرى.

تزيد شعاعان من الأشعة السينية من مولد واحد (المعروفان باسم شعاع الانقسام) من احتمال اكتشاف الملوثات، حيث يتم إنشاء صورتين من زوايا مختلفة في نفس الوقت.

وهذا مفيد بشكل خاص في التغليف مثل العلب المعدنية حيث يصعب اكتشاف التلوث في قاعدة أو جدران العلبة.

من خلال ضرب كاشفين منفصلين، يتغلب نظام الشعاعين المنقسمين على هذا التحدي حيث يتم تصوير كل علبة مرتين، وتمثل كل صورة زاوية رؤية مختلفة، مما يزيد من التغطية داخل الحاوية واحتمالية الكشف.

تزيد حزمتي الأشعة السينية المزدوجة من مولدين منفصلين أيضا من الكشف من خلال توفير صور من زاويتين متعارضتين.

المنتجات المعبأة في زجاجات وبرطمانات من أصعب المنتجات في الفحص، حيث يمكن أن تسبب القاعدة والجدران الجانبية والرقبة 'نقاط عمياء' عند الفحص باستخدام شعاع أشعة إكس واحد. يمكن تحسين احتمال الكشف باستخدام عدة أشعة أشعة سينية—وهي مزيج من الأشعة الرأسية والأفقية. على سبيل المثال، ستقوم أشعة إكس رأسية واحدة وثلاث أشعة أفقية بمسح المنتج في نفس الوقت لإنتاج سلسلة من الصور من زوايا متنوعة، مما يقلل من النقاط العمياء ويحسن الكشف. يمكن أيضا تحسين اتجاه الشعاع بزوايا مختلفة ليتناسب مع نوع الحاوية ونوع المنتج.

اختيار نوع الشعاع الصحيح لتطبيق معين هو قرار معقد، ونادرا ما يكون خيار "حل واحد يناسب الجميع". لهذا السبب، ينصح بالحصول على مزيد من المشورة من محترفين ذوي خبرة في فحص المنتجات وغالبا ما يتم إجراء اختبارات فردية للمنتج.

المصنعون لا يستخدمون فقط فحص الأشعة السينية للكشف عن الملوثات؛ يمكن لأنظمة الأشعة السينية إجراء مجموعة واسعة من فحوصات سلامة المنتج والجودة في الوقت نفسه.

تشمل الفحوصات الإضافية التي يمكن لنظام الأشعة السينية إجراؤها ما يلي:

• قياس الكتلة الكلية المحددة للمناطق والكتلة الإجمالية
• مكونات العد
• تحديد المنتجات المفقودة أو المعطلة
• مراقبة مستويات التعبئة
• فحص سلامة الختم
• فحص المنتج والتغليفة التالف
• اكتشاف التجمعات مثل النكهة وكتل المسحوق
• قياس مساحة الرأس

مع تكثيف لوائح سلامة الأغذية والأدوية، تزداد أهمية الامتثال والتتبع في كل مرحلة من مراحل دورة حياة المنتج، ويستخدم فحص الأشعة السينية بشكل متزايد من قبل مصنعي العلامات التجارية المعروفة لاكتشاف ورفض المنتجات الملوثة.

يمكن لأنظمة فحص الأشعة السينية العثور على ملوثات في كل مرحلة من مراحل الإنتاج للمنتجات السائبة والمضخوخة والمغلفة، لكن فعالية التقنية تعتمد على كثافة وسمك وتجانس المنتج.

لا تمر الأشعة السينية عبر جميع المواد بنفس السهولة، وقياس الفروق في الامتصاص بين المنتج والملوث هو أساس اكتشاف الأجسام الغريبة في فحص الأشعة السينية. ترتبط شفافية المادة بالأشعة السينية بشكل عام بكثافتها — كلما كان المنتج أكثر كثافة، زادت كمية الأشعة السينية التي يمتصها وتظهر الملوثات المخفية، بما في ذلك الأجسام الغريبة مثل الزجاج والعظم والمعادن، لأنها تمتص أشعة سينية أكثر من المنتج المحيط، مما يعني أنها تبدو أغمق في صورة رمادية.

على الرغم من أن المبادئ الأساسية لفحص الأشعة السينية متشابهة، إلا أنها تقنية متعددة الاستخدامات والتطبيقات المختلفة تتطلب أنظمة أشعة مختلفة. اختيار النظام المناسب أمر بالغ الأهمية لنجاح فحص الأشعة السينية لأن الملوثات لا يمكن اكتشافها إلا إذا تم اختيار كل عنصر، من زاوية الشعاع إلى آلية الرفض، ليتناسب مع الخط والمنتج. لذا، فإن فهم الصيغ المختلفة وملاءمتها لأنواع مختلفة من تحديات اكتشاف التلوث هو أساس مواصفات النظام واختياره.

ومع ذلك، هناك أمر واحد مؤكد، وهي أن المنتجات التي تنجح في اجتياز أنظمة فحص الأشعة السينية تعزز ثقة مصنعي الأغذية والأدوية في جودة وسلامة منتجاتهم، مما يساعدهم على الامتثال لمعايير الصناعة بما في ذلك: المبادرة العالمية لسلامة الغذاء (GFSI)، اتحاد التجزئة البريطاني (BRC)، شهادة نظام سلامة الأغذية لعام 22000 (FSSC 22000)، قانون سلامة الغذاء الصيني، والمعيار الدولي المميز للأغذية (IFS).