Làm thế nào để hệ thống tia X tìm thấy chất gây ô nhiễm?

Tia X là một trong số các nguồn bức xạ tự nhiên và là một dạng bức xạ điện từ vô hình, chẳng hạn như sóng vô tuyến.

Tất cả các loại bức xạ điện từ là một phần của một liên tục duy nhất được gọi là Phổ điện từ, được sắp xếp theo tần số và bước sóng. Nó chạy từ sóng vô tuyến ở một đầu (có bước sóng dài) đến tia gamma ở đầu kia (có bước sóng ngắn).

Bước sóng ngắn của tia X cho phép chúng đi qua các vật liệu mờ đục với ánh sáng nhìn thấy, nhưng chúng không đi qua tất cả các vật liệu một cách dễ dàng. Độ trong suốt của vật liệu so với tia X có liên quan rộng rãi đến mật độ của nó - vật liệu càng đậm đặc thì càng ít tia X đi qua. Các chất gây ô nhiễm ẩn, bao gồm thủy tinh, xương vôi hóa và kim loại, xuất hiện vì chúng hấp thụ nhiều tia X hơn so với sản phẩm xung quanh.

Nói một cách đơn giản, hệ thống tia X sử dụng máy phát tia X để chiếu chùm tia X năng lượng thấp lên cảm biến hoặc máy dò.

Kiểm tra bằng tia X liên quan đến việc đưa sản phẩm hoặc bao bì qua chùm tia X trước khi đến máy dò. Lượng năng lượng tia X được hấp thụ trong quá trình chùm tia đi qua sản phẩm bị ảnh hưởng bởi độ dày, mật độ và số nguyên tử của sản phẩm.

Khi sản phẩm đi qua chùm tia X, chỉ có năng lượng dư đến máy dò. Việc đo lường sự khác biệt về độ hấp thụ giữa sản phẩm và chất gây ô nhiễm là cơ sở để phát hiện dị vật trong kiểm tra bằng tia X.

Có ba thành phần chính của hệ thống kiểm tra bằng Tia X:

• Máy phát tia X
• Một máy dò
• Bảng điều khiển

Chùm tia X được tạo ra bởi một ống tia X được bọc trong máy phát tia X. Nó rời đi qua một cửa sổ thoát hiểm và di chuyển theo một đường thẳng thông qua một bộ chuẩn trực (một thiết bị để thu hẹp luồng tia X thành một chùm quạt nhỏ hơn). Sau đó, chùm tia X đi qua sản phẩm hoặc bao bì đang được kiểm tra, trước khi cuối cùng đến máy dò. Khi đến máy dò, các điốt sẽ chuyển đổi mức độ ánh sáng từ chùm tia thành tín hiệu điện, tín hiệu này được gửi trở lại bảng điều khiển. Sau đó, bảng điều khiển tạo ra hình ảnh tia X 'thang độ xám' được kiểm tra và phân tích bằng phần mềm tia X, sau đó xác định xem nên chấp nhận hay từ chối sản phẩm được kiểm tra.

Máy phát tia X chứa một ống tia X tạo ra chùm tia X.

Ống tia X hiện đại bao gồm một vỏ thủy tinh, một cực âm dây tóc, một cực dương đồng và một mục tiêu vonfram. Cực âm là nguồn của các electron là một sợi vonfram được nung nóng đến sợi đốt bằng dòng điện. Các electron được gia tốc đến mục tiêu bằng cách đặt điện áp cao giữa cực dương và cực âm. Khi các electron chạm vào mục tiêu vonfram gắn bên trong cực dương đồng, chúng giảm tốc nhanh chóng và sự giảm tốc này tạo ra phát xạ tia X.

Có hai loại ống tia X được sử dụng để kiểm tra thực phẩm và dược phẩm. Sự khác biệt nằm ở vật liệu lọc được sử dụng cho chùm tia X. Đây có thể là bộ lọc thủy tinh / nhôm (phổ biến nhất) hoặc bộ lọc berili. Lọc berili cho phép tăng cường độ tương phản hình ảnh và cải thiện độ nhạy đối với các chất gây ô nhiễm có mật độ thấp hơn như thủy tinh, đá và xương, tuy nhiên, lợi ích chỉ giới hạn ở các gói mỏng hơn và các sản phẩm lưu lượng lớn.

Chọn hệ thống phù hợp là nền tảng cho sự thành công của kiểm tra bằng tia X vì hệ thống không thể phát hiện tối ưu các chất gây ô nhiễm trừ khi từng yếu tố từ góc chùm tia đến cơ chế loại bỏ đã được chọn để phù hợp nhất với ứng dụng. Hệ thống tia X được chia thành ba loại: chùm tia dọc, chùm tia ngang và các hệ thống là sự kết hợp của cả hai.

Hầu hết các hệ thống tia X sử dụng chùm tia X thẳng đứng từ máy phát để quét sản phẩm khi nó đi qua hệ thống tia X. Hàng tiêu dùng di chuyển nhanh thường có chiều sâu nhỏ hơn chiều rộng và chiều dài, vì vậy việc kiểm tra chúng qua mặt cắt ngang thẳng đứng nơi có độ sâu sản phẩm ít nhất mang lại độ nhạy tốt nhất. Máy đóng gói kín, bao gồm các sản phẩm trong màng bọc dòng chảy, túi, thùng carton hoặc khay composite, có xu hướng có hệ thống dầm thẳng đứng.

Các hệ thống nằm ngang sử dụng máy phát tia X gắn bên cạnh để quét các sản phẩm đi qua băng tải và chủ yếu được sử dụng cho các sản phẩm đóng gói cao hơn chiều rộng của chúng. Vì yếu tố quan trọng trong độ nhạy phát hiện là độ sâu của sản phẩm mà tia X phải đi qua, các hệ thống nằm ngang thường cung cấp khả năng phát hiện tốt hơn cho các sản phẩm này vì chúng có thể quét qua thành thùng chứa.

Hệ thống kiểm tra bằng tia X về cơ bản là một thiết bị quét. Khi một sản phẩm đi qua hệ thống với tốc độ không đổi, các cảm biến bên trong sẽ chụp hình ảnh 'thang độ xám' của sản phẩm, được tạo ra bằng cách đo lượng năng lượng tia X đến máy dò.

Mỗi hình ảnh được tạo thành từ các pixel và mỗi pixel có một giá trị để biểu thị một giá trị trên thang độ xám (từ đen 0 đến trắng 255). Khi sản phẩm hoặc bao bì đi qua máy dò, mỗi dòng dữ liệu mức độ xám được xây dựng lại để cung cấp hình ảnh sản phẩm hoàn chỉnh.

Phần mềm trong hệ thống X-quang phân tích hình ảnh và so sánh nó với một tiêu chuẩn chấp nhận được xác định trước. Trên cơ sở so sánh này, hệ thống chấp nhận hoặc từ chối hình ảnh và trong trường hợp loại bỏ, phần mềm sẽ gửi tín hiệu đến hệ thống loại bỏ tự động, sau đó hệ thống này sẽ loại bỏ sản phẩm khỏi dây chuyền sản xuất.

Các điốt (các phần tử riêng lẻ của máy dò) có sẵn ở các kích cỡ khác nhau để cho độ phân giải hình ảnh khác nhau. Các điốt nhỏ hơn yêu cầu mức miliampe (mA) cao hơn để duy trì chất lượng hình ảnh, vì vậy đây thường là một sự đánh đổi trong lĩnh vực này.

Một trong những lý do chính khiến kiểm tra bằng tia X nhanh chóng trở thành một tính năng phổ biến trong ngành công nghiệp thực phẩm và dược phẩm trên toàn thế giới là vì một loạt các chất gây ô nhiễm vật lý (cả kim loại và phi kim loại) hấp thụ nhiều tia X hơn so với sản phẩm xung quanh và do đó hiển thị rõ ràng trên hình ảnh tia X.

Phát hiện tạp chất liên quan trực tiếp đến mật độ của sản phẩm và chất gây ô nhiễm. Hầu hết các sản phẩm thực phẩm có tỷ trọng tương tự như nước, có trọng lượng riêng (SG) là 1.0. Theo nguyên tắc chung, nếu một chất gây ô nhiễm tiềm ẩn nổi trong nước, có thể khó phát hiện bằng cách sử dụng kiểm tra bằng tia X.

Kiểm tra bằng tia X có khả năng phát hiện nhiều chất gây ô nhiễm, bao gồm thủy tinh, đá khoáng, xương vôi hóa, nhựa và hợp chất cao su mật độ cao. Hình dạng, kích thước và vị trí của chất gây ô nhiễm trong sản phẩm hoặc loại bao bì được sử dụng có thể ảnh hưởng đến mức độ nhạy cảm. Kiểm tra bằng tia X cũng cung cấp mức độ phát hiện vượt trội đối với thép không gỉ và kim loại đen và kim loại màu, ngay cả trong các sản phẩm được đóng gói trong lon, màng kim loại hoặc giấy bạc.

Hệ thống tia X có thể được sử dụng để phát hiện các chất gây ô nhiễm ở các giai đoạn khác nhau của quy trình sản xuất, trong một loạt các ứng dụng từ sản phẩm thô ở dòng chảy số lượng lớn đến thực phẩm sẵn đóng gói và các sản phẩm được bơm qua đường ống đến các sản phẩm trong lọ thủy tinh, chai hoặc lon kim loại.

Hệ thống tia X có thể phát hiện các tạp chất có kích thước khác nhau và xác suất phát hiện sẽ khác nhau tùy thuộc vào một số yếu tố, bao gồm độ dày, độ đồng nhất, mật độ và kích thước của sản phẩm. Ví dụ, hệ thống kiểm tra bằng tia X thường có tỷ lệ phát hiện tốt hơn với các sản phẩm đồng nhất, như pho mát, vì chúng tạo ra hình ảnh rõ ràng hơn so với các sản phẩm không đồng nhất, chẳng hạn như hộp ngũ cốc với các thành phần khác nhau có mật độ khác nhau, tức là mảnh, quả hạch và trái cây sấy khô.

Hệ thống tia X kiểm tra các sản phẩm rời trước khi chúng được đóng gói hoặc thêm vào làm thành phần cho thành phẩm. Các ứng dụng điển hình bao gồm các loại hạt, đồ ăn nhẹ ép đùn, trái cây sấy khô, thịt chế biến, ngũ cốc và ngũ cốc.

Độ nhạy phát hiện trong các sản phẩm dòng chảy lớn thường tốt hơn so với các gói kín cuối cùng vì độ sâu của sản phẩm thường ít hơn nhiều. Có thể đạt được một lớp sản phẩm duy nhất, hoặc độ sâu không đổi của dòng sản phẩm, và cải thiện độ nhạy phát hiện.

Cần xem xét vị trí của các máy này trong dây chuyền sản xuất. Ví dụ, khi được đặt sớm trong quy trình, họ có thể kiểm tra hàng hóa hoặc nguyên liệu thô, cho phép loại bỏ các chất gây ô nhiễm tại nguồn và truy xuất nguồn gốc ngay lập tức đến nhà cung cấp. Các tạp chất trong hàng hóa đầu vào là lớn nhất và dễ phát hiện nhất, tuy nhiên, xa hơn nữa ở hạ nguồn, có khả năng chúng có thể bị vỡ thành các mảnh nhỏ hơn, ít phát hiện hơn, trong quá trình sản xuất, chưa kể đến nguy cơ hư hỏng máy móc. Loại bỏ các vật thể lạ sớm trong quá trình sản xuất có nhiều lợi thế, bao gồm ngăn chặn giá trị gia tăng thêm cho sản phẩm thông qua quá trình chế biến và đóng gói, do đó giảm thiểu lãng phí và chi phí sản xuất tổng thể.

Các hệ thống này được thiết kế để kiểm tra các sản phẩm được bơm, thường là chất lỏng, bùn và bột nhão trước khi đóng gói cuối cùng và giá trị gia tăng thêm. Các ứng dụng bao gồm nước sốt, mứt, thịt băm, thịt gia cầm, sô cô la, trái cây xay nhuyễn và phết sữa.

Một chùm tia quét sản phẩm khi nó đi qua đường ống và phát hiện sản phẩm có chứa chất gây ô nhiễm, sau đó được chuyển hướng ra khỏi sản phẩm tốt thông qua van chuyển hướng loại bỏ. Giống như máy dòng chảy rời, hệ thống đường ống tia X thường được đặt ở thượng nguồn để kiểm tra sản phẩm ở giai đoạn đầu và cung cấp mức độ phát hiện nâng cao vì sản phẩm đồng nhất. Tìm kiếm chất gây ô nhiễm trong hệ thống đường ống dễ dàng hơn nhiều so với việc tìm thấy nó trong lọ thủy tinh, mặc dù vì bao bì thủy tinh có những rủi ro riêng, nên có thể cần nhiều hơn một Điểm kiểm soát tới hạn (CCP) trên dây chuyền sản xuất.

Các sản phẩm đóng gói bán lẻ có thể được kiểm tra bằng một loạt các hệ thống tia X tùy thuộc vào ứng dụng riêng lẻ. Các hệ thống tia X này có thể được nhóm thành ba loại (hoặc ba loại hệ thống tủ): hệ thống chùm tia dọc, hệ thống chùm tia ngang và hệ thống là sự kết hợp của cả hai.

Hệ thống dầm đứng cho các sản phẩm đóng gói

Hệ thống kiểm tra bằng tia X sử dụng dầm thẳng đứng thường được sử dụng trên dây chuyền sản xuất số lượng lớn và đường ống cũng như các sản phẩm đóng gói bán lẻ. Các sản phẩm đóng gói được kiểm tra trên hệ thống dầm thẳng đứng thường có chiều sâu (tức là chiều cao) nhỏ hơn so với chiều rộng và chiều dài của chúng. Hệ thống dầm thẳng đứng kiểm tra sản phẩm thông qua mặt cắt ngang thẳng đứng của chúng (có độ sâu sản phẩm ít nhất), giúp dễ dàng nhìn thấy các thành phần bên trong. Hình ảnh được tạo ra bằng cách sử dụng hình học chùm tia này là chế độ xem sơ đồ của gói cho phép phân tích chi tiết gói, cuối cùng cung cấp mức độ nhạy và phát hiện cao.

Hệ thống dầm ngang cho các sản phẩm đóng gói

Hệ thống tia X chùm tia ngang chủ yếu được sử dụng cho các sản phẩm trong bao bì, trong đó chiều cao của bao bì lớn hơn chiều rộng của nó (hộp đựng cao, cứng). Vì yếu tố quan trọng trong độ nhạy phát hiện là độ sâu của sản phẩm mà tia X phải đi qua, nên quét ngang thường dẫn đến tỷ lệ phát hiện tốt hơn đối với các gói có thiết kế này. Hệ thống chùm tia ngang có sẵn trong một hoặc nhiều hình dạng chùm tia, tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể.

Hệ thống nhiều chùm tia

Mặc dù công nghệ vẫn giữ nguyên (như hệ thống chùm tia ngang), hệ thống tia X có thể được điều chỉnh để phù hợp với các ứng dụng cụ thể sử dụng, để tối ưu hóa xác suất phát hiện trong các ứng dụng như lọ thủy tinh và các loại vật chứa cao và cứng khác.

Hai chùm tia X từ một máy phát duy nhất (được gọi là chùm tia tách) làm tăng xác suất phát hiện các chất gây ô nhiễm, vì hai hình ảnh được tạo ra từ các góc độ khác nhau đồng thời.

Điều này đặc biệt hữu ích cho các bao bì như lon kim loại, nơi khó phát hiện tạp chất ở đế hoặc thành bên của hộp.

Bằng cách tấn công hai máy dò riêng biệt, hệ thống chùm tia kép tách rời vượt qua thách thức này vì mỗi lon được chụp ảnh hai lần và mỗi hình ảnh đại diện cho một góc nhìn khác nhau, do đó tăng phạm vi phủ sóng bên trong thùng chứa và xác suất phát hiện.

Chùm tia X kép từ hai máy phát riêng biệt cũng tăng khả năng phát hiện tương tự bằng cách cung cấp hình ảnh từ hai góc đối lập.

Các sản phẩm được đóng gói trong chai và lọ thủy tinh là một trong những sản phẩm khó kiểm tra nhất vì đế, thành bên và cổ có thể gây ra 'điểm mù' khi kiểm tra bằng một chùm tia X duy nhất. Xác suất phát hiện có thể được cải thiện bằng cách sử dụng nhiều chùm tia X - sự kết hợp của chùm tia dọc và ngang. Ví dụ, một chùm tia X dọc và ba chùm tia X ngang sẽ quét sản phẩm đồng thời để tạo ra một loạt hình ảnh từ nhiều góc độ, giảm điểm mù và tối ưu hóa khả năng phát hiện. Hướng của chùm tia cũng có thể được tối ưu hóa ở các góc độ khác nhau để phù hợp với loại thùng chứa và loại sản phẩm.

Lựa chọn loại chùm tia chính xác cho một ứng dụng cụ thể là một quyết định phức tạp và tùy chọn "một giải pháp phù hợp với tất cả" hiếm khi có thể thực hiện được. Vì lý do này, chúng tôi khuyên bạn nên nhận thêm lời khuyên từ các chuyên gia kiểm tra sản phẩm có kinh nghiệm và trong nhiều trường hợp, thử nghiệm sản phẩm riêng lẻ được hoàn thành.

Các nhà sản xuất không chỉ sử dụng kiểm tra bằng tia X để phát hiện chất gây ô nhiễm; Hệ thống tia X có thể thực hiện đồng thời một loạt các kiểm tra chất lượng và tính toàn vẹn của sản phẩm trong dây chuyền.

Các kiểm tra bổ sung mà hệ thống X-quang có thể thực hiện bao gồm:

• Đo khối lượng được khoanh vùng và tổng khối lượng
• Đếm các thành phần
• Xác định sản phẩm bị thiếu hoặc bị hỏng
• Giám sát mức chiết rót
• Kiểm tra tính toàn vẹn của con dấu
• Kiểm tra sản phẩm và bao bì bị hư hỏng
• Phát hiện các chất kết tụ như hương vị và cục bột
• Đo không gian đầu

Với các quy định về an toàn thực phẩm và dược phẩm ngày càng tăng cường, việc tuân thủ và truy xuất nguồn gốc qua mọi giai đoạn của vòng đời sản phẩm ngày càng trở nên quan trọng và việc kiểm tra bằng tia X ngày càng được các nhà sản xuất của các thương hiệu nổi tiếng sử dụng để phát hiện và loại bỏ các sản phẩm bị nhiễm bẩn.

Hệ thống kiểm tra bằng tia X có thể tìm thấy chất gây ô nhiễm ở mọi giai đoạn sản xuất đối với các sản phẩm rời, rời, bơm và đóng gói, nhưng hiệu quả của công nghệ phụ thuộc vào mật độ, độ dày và tính đồng nhất của sản phẩm.

Tia X không đi qua tất cả các vật liệu một cách dễ dàng như nhau và đo sự khác biệt về sự hấp thụ giữa sản phẩm và chất gây ô nhiễm là cơ sở để phát hiện dị vật trong kiểm tra bằng Tia X. Độ trong suốt của vật liệu so với tia X có liên quan rộng rãi đến mật độ của nó - sản phẩm càng đậm đặc, nó càng hấp thụ nhiều tia X và các chất gây ô nhiễm tiềm ẩn, bao gồm các vật thể lạ như thủy tinh, xương và kim loại, xuất hiện vì chúng hấp thụ nhiều tia X hơn so với sản phẩm xung quanh, có nghĩa là chúng xuất hiện tối hơn trên hình ảnh thang độ xám.

Mặc dù các nguyên tắc cơ bản của kiểm tra bằng tia X là giống nhau, nhưng đây là một công nghệ linh hoạt và các ứng dụng khác nhau yêu cầu các hệ thống tia X khác nhau. Chọn hệ thống phù hợp là rất quan trọng đối với sự thành công của kiểm tra bằng tia X vì không thể phát hiện các chất gây ô nhiễm trừ khi từng yếu tố, từ góc chùm tia đến cơ chế loại bỏ, đã được chọn để phù hợp với dây chuyền và sản phẩm. Do đó, sự hiểu biết về các định dạng khác nhau và sự phù hợp của chúng đối với các loại thách thức phát hiện tạp chất khác nhau là nền tảng cho đặc điểm kỹ thuật và lựa chọn hệ thống.

Tuy nhiên, có một điều chắc chắn là các sản phẩm vượt qua hệ thống kiểm tra bằng tia X thành công sẽ nâng cao niềm tin của các nhà sản xuất thực phẩm và dược phẩm về chất lượng và an toàn sản phẩm của họ, giúp họ tuân thủ các tiêu chuẩn ngành bao gồm Sáng kiến An toàn Thực phẩm Toàn cầu (GFSI), Hiệp hội Bán lẻ Anh (BRC), Chứng nhận Hệ thống An toàn Thực phẩm 22000 (FSSC 22000), Luật An toàn Thực phẩm Trung Quốc và Tiêu chuẩn Đặc trưng Quốc tế về Thực phẩm (IFS).