感應器靈敏度 – X射線檢測技術通過檢測極小污染物

普遍的理論認為，X 射線系統的感應器像素尺寸越小，就越適合檢測食品和其他產品中的細微污染物。 然而事實不是如此簡單。 雖然較小像素尺寸的感應器（例如 0.2 或 0.4mm）與較大像素尺寸感應器（例如 0.8 或 1.6mm）相比，X 射線圖像的空間分辨率更高，但是還需要考慮許多其他因素，不只是單純考慮感應器本身的理論靈敏度。 

X 射線檢測系統包含 X 射線發射器、檢測機和計算機。 其工作原理如下：當產品以恒定速度通過 X 射線系統時，X 射線檢測機可捕捉產品的“灰度”圖像，該圖像通過測量穿過產品，并且到達檢測機的 X 射線能量生成。 隨后，軟件對該圖像進行分析，并與預先設定的驗收標準進行比較；對于那些不符合標準（即檢測到污染物）的產品圖像，予以剔除。 

X 射線檢測機由正方形形狀的像素點組成。 以0.8mm 像素尺寸感應器為例，每當產品通過系統（由 0.8mm 像素尺寸的方形像素點組成） 0.8mm 長度時就生成一個線性圖像 將這些 0.8mm 寬的線條逐步累積起來就形成了 X 射線圖像。 因此，理論上，感應器像素點數量越多、尺寸越小，提供的數據就越多，因此可得到更加清晰的圖像，檢測到細微污染物的概率也越大。 

但是更多的數據并不總是的選擇。 如果所有應用都是檢測諸如香袋或手袋那樣輕薄且同質的產品，則較小像素尺寸的感應器無疑是選擇。 事實上，檢測食品是否含有污染物的應用范圍非常廣，而且多種多樣 – 一塊奶酪有著與一袋土豆極為不同的特性，而一包大米又截然不同。 這一事實為污染物檢測問題增加了多重復雜性。 

污染物檢測需滿足 3 個條件： 

1. 相對于周圍的產品，污染物能吸收更多的 X 射線； 
2. X 射線檢測機必須提供足夠的空間分辨率； 
3. X 射線系統的檢測算法必須能夠區分物理污染物及其周圍的產品。 

因此，污染物檢測的整體靈敏度取決于三個條件：空間分辨率、射線成像對比度以及產品效應。 

空間分辨率 

空間分辨率是指構建數字圖像所使用的像素。 更高的空間分辨率意味著更多的像素點，可確保更的圖像質量。 較小像素尺寸的感應器可產生更高的空間分辨率，但需要更高的 X 射線能量來保持圖像品質。 0.8mm 感應器的表面積是 0.4mm 感應器的四倍，因此，更小尺寸的感應器需要四倍的 X 射線能量，才能獲得同樣的信號強度并生成同樣品質的圖像。 此外，使用 0.4mm 感應器時，如果想讓產品通過系統的速度保持不變，檢測機掃描速度必須增加一倍（與 0.8mm 感應器相比）。 同樣，所需劑量是 0.8mm 感應器的八倍。 所有這些均意味著需要將成本、速度及圖像品質之間的平衡考慮在內。 

影響空間分辨率的其他因素是集成和投射效應以及污染物在X 射線光路徑上所處的位置。 集成是指掃描期間，每個感應器累計的信號。 計算機讀取感應器時，讀取的不是瞬間“捕捉”的讀數。 此集成或“存儲效應”允許用戶權衡掃描速度與傳輸速度，高達 50% 以上，同時還能保持靈敏度水平。 較慢的掃描速度可提供更強、更具穿透力的信號。 其可以根據不同產品進行優化。 

在 X 射線系統中，光束從“聚焦點”發出，測量尺寸約為 3mm。 污染物相對于聚焦點（或 X 射線源）或檢測機的位置十分重要：如果污染物靠近射線源，則檢測機投射的有效面積將增大，而圖像邊緣的清晰度會降低；如果污染物靠近檢測機，則污染物的圖像會更加清晰，利用放射圖像分析工具就更容易檢測。 為了zui大限度增加 0.8mm 感應器的信號強度，需要 0.8 mm 的方形污染物。 現實當中很少有這么湊巧的事情，通常污染物的投射陰影總是落在多個感應器的部分位置，甚至在兩個感應器之間。 在此情況下，更大的感應器能夠捕捉更多關鍵數據。 

射線成像對比度 

污染物與產品之間的射線成像對比度也十分重要，這里的主要影響因素是信噪比。 所有電氣設備都會產生一定的背景噪音，如果相對于信號強度，噪音水平過大，會對 X 射線圖像質量產生不良影響。 不同尺寸的感應器有不同的信噪比。 較大的感應器可產生更強的信號，降低噪音水平。 

產品效應 

產品穿過 X 射線時被檢測機吸收的 X 射線能量與產品（和任何污染物）的厚度、密度和原子質量數有關。 測量 X 射線在產品和污染物之間衰減差異是污染物檢測的基本依據。 通常原子質量數與密度相關，食品一般含有低原子質量數的材料，而污染物常常含有高原子質量數的材料且密度較高。相同的污染物（比如一塊石頭），放在低密度產品中（比如一片面包），比放在高密度奶酪中更易檢測到。 穿透高密度材料需要更高的 X 射線能量，這也會影響感應器大小尺寸的選擇及相應的檢測靈敏度。 

產品及其包裝的質地和均勻性也必須考慮。 同質包裝可提供恒定的 X 射線信號，因此很容易檢測到 X 射線能量吸收情況的細微變化。 但是，許多食品和藥品包含多種吸收情況，涉及的原因有食品的不同類型（例如沙拉），和/或氣泡以及物品間的間隙（例如一袋土豆或大米）。 考慮到對比度有助于檢測，如果污染物是金屬等高密度材質，顯然使用 X 射線檢測細微污染物是有所裨益的，而諸如玻璃、石頭和骨頭等較小密度污染物，顆粒較大時才能檢測到。 

因此，如果預測污染物很可能是金屬，則可以使用較小的感應器，因為金屬的射線成像對比度可忽略噪音的影響。 然而，事情并非總是如此。 0.4mm 的金屬球很容易“隱藏”在有多種密度的產品中，如大米或葡萄干。 一般情況下，感應器尺寸越大，射線成像對比度越好。 

這是一個權衡的問題 

我們可以得出結論，實際檢測微小污染物很大程度上取決于產品本身的特性，而不是檢測機感應器的尺寸。 小型感應器有較高空間分辨率的優勢，是檢測輕薄同質緩慢移動物品的理想之選，但需要更多的能量，因此操作成本也比較昂貴。但是，獲得的更的測量可能會受到 X 射線通過量、電子檢測及產品效應中增加的固有“噪音”級別的影響。 如果產品包含巨大空隙，高分辨率獲得的優勢可能會喪失，這會使感應器像素級別的小污染物“隱藏”。 這將喪失使用更小感應器帶來的改善。 較大的發光二極管適合較厚、高密度的產品，其提供的射線成像對比度，同時具有更高的信噪比，即使空間分辨率較低，也可檢測出更多污染物。 根據不同的應用，選擇尺寸的 X 射線感應器，就成為所有各種因素之間的權衡問題。 

作者：梅特勒-托利多 X 射線檢測部門電子產品 Steve Gusterson 

Steve Gusterson 是梅特勒-托利多 X 射線檢測部門的電子產品，在梅特勒-托利多已任職 10 年，自 1987 年便從事 X 射線食品檢測行業的研究。 Steve 直接參與梅特勒-托利多 X 射線接收器與硬件控制系統的研發。 

關于梅特勒-托利多 X 射線檢測系統 

梅特勒-托利多是食品和制藥行業金屬檢測與 X 射線檢測方案的供應商。 Garvens 自動檢重秤、CI-Vision 和 Pharmacontrol Electronic Gmbh (PCE) 共同構成了梅特勒-托利多產品檢測部門。 北京富瑞恒創科技有限公司。