X線システムはどのようにして汚染物質を見つけるのか?

X線は自然に発生する放射線源の一つであり、電波のような目に見えない電磁放射の形態です。

あらゆる種類の電磁放射は、周波数と波長に従って配置された電磁スペクトルと呼ばれる単一の連続体の一部です。一方の端は長波長の電波から、もう一方の端は短波長のガンマ線まで流れています。

X線の短波長は可視光に不透明な物質を通過させることを可能にしますが、すべての物質を同じように簡単に通過できるわけではありません。材料のX線に対する透明度は、その密度と大きく関連しており、材料が密度が高いほど通過するX線は少なくなります。ガラス、石灰化した骨、金属などの隠れた汚染物質は、周囲の製品よりも多くのX線を吸収するため現れます。

簡単に言えば、X線システムはX線発生装置を用いて低エネルギーのX線ビームをセンサーや検出器に投影します。

X線検査は、検出器に到達する前に製品やパックをX線ビームに通すものです。ビームが生成物を通過する際に吸収されるX線エネルギーの量は、製品の厚さ、密度、原子番号によって影響を受けます。

生成物がX線ビームを通過すると、検出器に到達するのは残差エネルギーのみです。製品と汚染物質の吸収差の測定は、X線検査における異物検出の基礎となります。

X線検査システムの主要な構成要素は3つあります:

• X線発生装置
• 検出器
• コントロールパネル

X線ビームはX線発生器内に収められたX線管によって生成されます。その光は出口窓から出て、コリメーター(X線の流れをより小さなファンビームに絞る装置)を直線的に通過します。X線ビームは検査対象の製品やパックを通過し、最終的に検出器に到達します。検出器に到達すると、ダイオードはビームの光のレベルを電気信号に変換し、それが制御パネルに戻されます。コントロールパネルはその後、グレースケールのX線画像を作成し、X線ソフトウェアで検査・解析され、検査対象の製品を受け入れるか拒否するかを判断します。

X線発生装置にはX線管が含まれており、X線ビームを生成します。

現代のX線管は、ガラスの包絡、フィラメントカソード、銅の陽極、そしてタングステンターゲットで構成されています。電子の供給源であるカソードは、電流によって白熱されるタングステンフィラメントです。電子は陽極と陰極の間に高電圧をかけることで標的へ加速されます。電子が銅アノード内に取り付けられたタングステンターゲットに当たると急速に減速し、この減速がX線放射を生み出します。

食品および医薬品検査に使用されるX線管には2種類あります。違いはX線ビームに使用されるろ過材料にあります。これはガラスやアルミニウムのフィルター(最も一般的なもの)か、あるいはベリリウムフィルターのいずれかです。ベリリウムろ過により画像コントラストが向上し、ガラス、石、骨などの低密度汚染物質に対する感度も向上しますが、その利点は薄いパックやバルクフロー製品に限られます。

適切なシステムを選ぶことはX線検査の成功の鍵であり、ビーム角度から除去機構までの各要素が用途に最適に選ばれていなければ、システムが汚染物質を最適に検出することはできません。X線システムは垂直ビーム、水平ビーム、そしてその両方の組み合わせであるシステムの3つのカテゴリーに分類されます。

ほとんどのX線システムは、生成装置から垂直方向にX線ビームを送り、X線システムを通過する製品をスキャンします。高速消費財は通常、幅や長さよりも奥行きが小さいため、最も製品深さが少ない垂直断面で検査することで感度が最も高くなります。密閉パック用の機械は、フローラップ、パウチ、複合カートン、トレイなどの製品を含め、垂直ビームシステムを持つ傾向があります。

水平システムは側面に取り付けられたX線発生装置を用いてコンベヤーベルトを通過する製品をスキャンし、主に幅より高さのパッケージ製品に使われます。検出感度の重要な要素はX線が通過する製品の深さであるため、水平システムは容器の側面をスキャンできるため、これらの製品の検出性能が向上することが多いです。

X線検査システムは本質的にスキャン装置です。製品が一定速度でシステムを通過すると、内部センサーが検出器に到達するX線エネルギーの量を測定して生成される「グレースケール」画像を捕捉します。

各画像はピクセルで構成されており、各ピクセルにはグレースケール上の値を示す(黒0から白255まで)があります。製品やパックが検出器の上を通過するたびに、各グレーレベルデータのラインが再構築され、完全な製品画像が得られます。

X線システム内のソフトウェアが画像を解析し、あらかじめ定められた許容基準と比較します。この比較に基づき、システムは画像を受け入れるか拒否するかを決定し、拒否された場合はソフトウェアが自動拒否システムに信号を送り、そのシステムが製品を生産ラインから除去します。

ダイオード(検出器の個々の素子)は異なるサイズで提供されており、異なる画像解像度を提供します。より小さいダイオードは画質を維持するためにより高いミリアンペア(mA)レベルを必要とするため、この分野ではトレードオフが起こることが多いです。

X線検査が世界中の食品・製薬業界で急速に一般的な機能となりつつある主な理由の一つは、幅広い物理的汚染物質(金属・非金属を問わず)が周囲の製品よりも多くのX線を吸収し、X線画像に明確に映るためです。

汚染検出は製品と汚染物質の密度に直接関係しています。ほとんどの食品は水と似た密度を持ち、水の比重(SG)は1.0です。一般的に、水中に潜在的な汚染物質が浮かんでいる場合、X線検査で検出するのは難しいことが多いです。

X線検査は、ガラス、鉱物石、石灰化した骨、高密度プラスチックやゴム化合物など、多くの汚染物質を検出する能力を持っています。製品内の汚染物質の形状、サイズ、位置、または使用される包装の種類が感度レベルに影響を与えることがあります。X線検査は、缶、金属化フィルム、ホイルに包装された製品であっても、ステンレス鋼や鉄系・非鉄金属に対しても卓越した検出レベルを提供します。

X線システムは、原料のバルクフローからパッケージされたレトルトミール、パイプラインを通る製品からガラス瓶、瓶、金属缶の製品まで、生産プロセスのさまざまな段階で汚染物質を検出するために使用できます。

X線システムはさまざまなサイズの汚染物質を検出でき、検出確率は製品の厚さ、均質性、密度、サイズなど複数の要因によって異なります。例えば、X線検査システムは、チーズのような均質な製品に対して、より鮮明な画像を生成するため、フレーク、ナッツ、ドライフルーツなど異なる密度のシリアルの箱よりも検出率が高いことが多いです。

X線システムは、包装や完成品の原材料として添加される前に、散らばったバルク製品を検査します。典型的な用途には、ナッツ、押し出されたスナック、 ドライフルーツ、 加工肉、穀物や穀物などがあります。

バルクフロー製品の検出感度は、製品の深さが通常より小さいため、最終密閉パックよりも通常優れています。単一層の生成物、または一定の深さの生成物流を実現でき、検出感度が向上します。

これらの機械を生産ラインに設置する場所を考慮する必要があります。例えば、工程の初期段階で設置することで、入荷商品や原材料を検査し、汚染物質を発生源から除去し、即座に供給元にたどることができます。入荷商品中の汚染物質は最大かつ検出しやすいですが、下流では製造過程でより小さく検出されにくい破片に分解される可能性があり、機械への損傷の危険も伴います。生産工程の早期に異物を排除することは、加工や包装による製品の付加価値を防げるなど多くの利点があり、これにより廃棄物や全体の生産コストを最小限に抑えられます。

これらのシステムは、通常は液体、スラリー、ペーストなどのポンプ製品を検査し、最終包装やさらなる価値を加える前に検査することを目的としています。用途には、ソース、ジャム、ミンチ肉、家禽、チョコレート、フルーツピューレ、乳製品スプレッドなどがあります。

ビームはパイプ内を通過する製品をスキャンし、汚染物質を含む製品を検出し、その汚染物質はリジェクト分転弁を通じて良質な製品から逸脱します。バルクフロー機械と同様に、X線パイプラインシステムは通常、製品を早期に検査するために上流に配置され、製品が均質であるため検出レベルが向上します。パイプラインシステム内で汚染物質を見つけるのは、ガラス瓶の中で見つけるよりもはるかに簡単ですが、ガラス包装にはリスクがあるため、生産ライン上で複数のクリティカルコントロールポイント(CCP)が必要になる場合があります。

小売パッケージ製品は、用途に応じてさまざまなX線システムで検査可能です。これらのX線システムは、垂直ビームシステム、水平ビームシステム、そして両者を組み合わせたシステムの3つのカテゴリー(またはキャビネットシステムの3種類)に分類できます。

パッケージ製品向けの垂直ビームシステム

垂直ビームを用いたX線検査システムは、バルクやパイプラインの生産ライン、さらには小売パッケージ製品で一般的に使用されています。垂直ビームシステムで検査されるパッケージ製品は、幅や長さよりも奥行き(高さ)が小さいことが多いです。垂直ビームシステムは、製品の深さが最も少ない垂直断面を通じて製品を検査するため、内部成分の確認が容易になります。このビーム幾何学を用いて作成された画像はパックの平面図であり、パックの詳細な解析が可能となり、最終的に高い感度と検出を提供します。

パッケージ製品向けの水平ビームシステム

水平ビームX線システムは主に、パックの高さが幅より大きいパック内の製品(高く剛性の高い容器)に使われます。検出感度の重要な要素はX線が通過しなければならない製品の深さであるため、この設計のパックでは水平スキャンの方が検出率が向上することが多いです。水平ビームシステムは、用途に応じて単一または複数ビームのジオメトリで提供されます。

多重ビームシステム

技術は水平ビームシステムと同じですが、X線システムはガラス瓶やその他の背の高い硬い容器などの用途で検出確率を最適化するために、特定の用途に合わせて適応可能です。

単一の発生器(スプリットビームと呼ばれる)から2本のX線ビームを放つことで、異なる角度から同時に2つの画像が作成されるため、汚染物質の検出確率が高まります。

これは、金属製の缶のように、底面や側面の汚染を検出しにくい包装に特に有用です。

2つの別々の検出器を照射することで、分割デュアルビームシステムはこの課題を克服します。なぜなら、各缶が2回撮影され、それぞれの画像が異なる視点を表すため、容器内のカバレッジと検出確率が増加するからです。

2つの異なる発生器からのデュアルX線ビームも、2つの反対方向からの画像を提供することで検出を向上させます。

ガラス瓶や瓶に入った製品は、単一のX線ビームで検査すると、底部、側面、首部が「盲点」を引き起こすため、検査が最も難しい製品の一つです。複数のX線ビーム(垂直・水平ビームの組み合わせ)を使用することで検出確率が向上します。例えば、垂直X線ビーム1本と水平X線ビーム3本を同時にスキャンし、さまざまな角度から一連の画像を作成し、盲点を減らし検出を最適化します。また、容器の種類や製品の種類に応じて、ビームの向きを異なる角度で最適化することも可能です。

特定の用途に適したビームタイプを選ぶことは複雑な決断であり、「一つの解決策ですべてに合う」という選択肢はほとんど実現しません。このため、経験豊富な製品検査の専門家からさらなる助言を受け、多くの場合、個別の製品試験が実施されることが推奨されます。

メーカーは単にX線検査で汚染物質を検出するだけでなく、X線システムは、幅広いインライン製品の完全性と品質チェックを同時に行うことができます。

X線システムが行える追加の検査には以下が含まれます:

• ゾーンと総質量の測定
• カウント成分
• 紛失または破損した製品の特定
• 充填レベルの監視
• シールの完全性の検査
• 製品や包装の損傷の確認
• フレーバーや粉末の塊などの凝集体の検出
• ヘッドスペースの測定

食品および医薬品の安全規制が強化される中、製品のライフサイクルのあらゆる段階におけるコンプライアンスとトレーサビリティの重要性が高まっており、有名ブランドの製造業者が汚染製品の検出と拒否にX線検査をますます活用しています。

X線検査システムは、ルース、バルク、ポンプ、包装製品のあらゆる生産段階で汚染物質を検出できますが、この技術の効果は製品の密度、厚さ、均質性に依存します。

X線はすべての材料を同じように通過するわけではなく、製品と汚染物質の吸収の違いを測定することがX線検査における異物検出の基礎となります。物質のX線に対する透明度はその密度と大きく関連しています。製品が密度が高いほど吸収するX線が増え、ガラスや骨、金属などの異物などの隠れた汚染物質は周囲の製品よりも多くのX線を吸収するため、グレースケール画像では暗く見えます。

X線検査の基本原理は同じですが、多用途な技術であり、用途によって異なるX線システムが必要です。適切なシステムの選択はX線検査の成功に不可欠です。なぜなら、ビーム角度からリジェクト機構まで、各要素がラインと製品に適合するように選ばれていないと汚染物質を検出できないからです。さまざまなフォーマットと、それが異なる種類の汚染検出課題に適合するかどうかを理解することが、システムの仕様と選択の基盤となります。

しかし、確かなことは、X線検査システムを通過した製品が食品・製薬メーカーの品質と安全性に対する信頼を高め、グローバル食品安全イニシアティブ(GFSI)、英国小売コンソーシアム(BRC)、食品安全システム認証22000(FSSC 22000)、中国食品安全法、国際食品基準(IFS)などの業界基準に準拠するのに役立つということです。