Comment les systèmes à rayons X détectent-ils les contaminants ?

Les rayons X sont l’une des nombreuses sources naturelles de rayonnement et constituent une forme invisible de rayonnement électromagnétique, comme les ondes radio.

Tous les types de rayonnement électromagnétique font partie d’un seul continuum appelé spectre électromagnétique, qui est organisé selon la fréquence et la longueur d’onde. Elle va des ondes radio à une extrémité (qui ont une longueur d’onde longue) aux rayons gamma à l’autre extrémité (qui ont une longueur d’onde courte).

La courte longueur d’onde des rayons X leur permet de traverser des matériaux opaques à la lumière visible, mais ils ne traversent pas tous les matériaux avec la même facilité. La transparence d’un matériau par rapport aux rayons X est globalement liée à sa densité — plus le matériau est dense, moins de rayons X passent à travers. Les contaminants cachés, dont le verre, les os calcifiés et le métal, apparaissent car ils absorbent plus de rayons X que le produit environnant.

En termes simples, un système à rayons X utilise un générateur de rayons X pour projeter un faisceau de rayons X à faible énergie sur un capteur ou un détecteur.

L’inspection aux rayons X consiste à faire passer un produit ou un paquet à travers le faisceau de rayons X avant qu’il n’atteigne le détecteur. La quantité d’énergie des rayons X absorbée lors du passage du faisceau à travers un produit est influencée par l’épaisseur, la densité et le numéro atomique du produit.

Lorsque le produit traverse le faisceau de rayons X, seule l’énergie résiduelle atteint le détecteur. La mesure des différences d’absorption entre le produit et un contaminant est la base de la détection des corps étrangers lors de l’inspection aux rayons X.

Un système d’inspection aux rayons X comporte trois composants clés :

• Un générateur de rayons X
• Un détecteur
• Un panneau de contrôle

Le faisceau de rayons X est généré par un tube à rayons X enfermé dans le générateur de rayons X. Il sort par une fenêtre de sortie et se déplace en ligne droite à travers un collimateur (un dispositif permettant de réduire le flux de rayons X à un faisceau en éventail plus petit). Le faisceau de rayons X traverse ensuite le produit ou le paquet inspecté, avant d’atteindre finalement le détecteur. En atteignant le détecteur, les diodes convertissent le niveau de lumière du faisceau en signal électrique, qui est renvoyé au panneau de contrôle. Le panneau de contrôle crée ensuite une image à rayons X en « niveaux de gris » qui est inspectée et analysée par un logiciel de rayons X, qui détermine ensuite s’il faut accepter ou rejeter le produit inspecté.

Le générateur de rayons X contient un tube à rayons X qui génère un faisceau de rayons X.

Les tubes à rayons X modernes se composent d’une enveloppe en verre, d’une cathode filamente, d’une anode en cuivre et d’une cible en tungstène. La cathode, qui est la source des électrons, est un filament de tungstène chauffé jusqu’à l’incandescence par un courant électrique. Les électrons sont accélérés vers la cible en appliquant une haute tension entre l’anode et la cathode. Lorsque les électrons frappent la cible tungstène montée à l’intérieur de l’anode cuivre, ils décélèrent rapidement et cette décélération génère les émissions de rayons X.

Il existe deux types de tubes à rayons X utilisés pour l’inspection alimentaire et pharmaceutique. La différence réside dans le matériau filtrant utilisé pour le faisceau de rayons X. Cela peut être un filtre en verre/aluminium (le plus courant) ou alternativement un filtre au béryllium. La filtration au béryllium permet un contraste d’image amélioré et une sensibilité accrue aux contaminants de faible densité tels que le verre, la pierre et l’os ; cependant, les bénéfices se limitent aux paquets plus fins et aux produits à flux en vrac.

Le choix du bon système est fondamental pour le succès de l’inspection aux rayons X, car les systèmes ne peuvent détecter les contaminants de manière optimale que lorsque chaque élément, de l’angle du faisceau au mécanisme de rejet, n’a pas été choisi pour mieux correspondre à l’application. Les systèmes à rayons X se divisent en trois catégories : faisceau vertical, faisceau horizontal et systèmes qui combinent les deux.

La plupart des systèmes à rayons X utilisent un faisceau vertical de rayons X depuis le générateur pour scanner le produit au fur et à mesure qu’il traverse le système à rayons X. Les biens de consommation à mouvement rapide sont généralement plus petits en profondeur qu’en largeur et en longueur, donc les inspecter à travers la section verticale où la profondeur du produit est la plus faible offre la meilleure sensibilité. Les machines pour emballages scellés, y compris les produits dans des enveloppes à flux, des sachets, des cartons composites ou des plateaux, ont tendance à disposer de systèmes à poutres verticales.

Les systèmes horizontaux utilisent un générateur de rayons X monté sur le côté pour scanner les produits passant sur le tapis roulant et sont principalement utilisés pour les produits emballés plus hauts que larges. Puisqu’un facteur clé de la sensibilité à la détection est la profondeur du produit que les rayons X doivent traverser, les systèmes horizontaux offrent généralement une meilleure détection de ces produits car ils peuvent passer à travers le côté des contenants.

Un système d’inspection par rayons X est essentiellement un appareil de balayage. Lorsqu’un produit traverse le système à vitesse constante, les capteurs internes capturent une image en « niveaux de gris » du produit, générée en mesurant la quantité d’énergie des rayons X atteignant le détecteur.

Chaque image est composée de pixels et chaque pixel a une valeur pour indiquer une valeur en niveaux de gris (du noir 0 au blanc 255). Lorsque le produit ou le paquet passe au-dessus du détecteur, chaque ligne de données de niveau de gris est reconstruite pour fournir une image complète du produit.

Le logiciel du système de rayons X analyse l’image et la compare à une norme acceptable prédéterminée. Sur la base de cette comparaison, le système accepte ou rejette l’image et, en cas de rejet, le logiciel envoie un signal à un système de rejet automatique, qui retire ensuite le produit de la chaîne de production.

Les diodes (éléments individuels du détecteur) sont disponibles en différentes tailles pour offrir une résolution d’image variée. Les diodes plus petites nécessitent des niveaux plus élevés de milliampères (mA) pour maintenir la qualité d’image, ce qui constitue souvent un compromis dans ce domaine.

L’une des principales raisons pour lesquelles l’inspection par rayons X devient rapidement une caractéristique courante dans les industries alimentaire et pharmaceutique à travers le monde est qu’une large gamme de contaminants physiques (métalliques et non métalliques) absorbe plus de rayons X que le produit environnant et apparaît donc clairement sur une image radiographique.

La détection de la contamination est directement liée à la densité du produit et au contaminant. La plupart des produits alimentaires ont une densité similaire à celle de l’eau, qui a une densité spécifique (SG) de 1,0. En règle générale, si un contaminant potentiel flotte dans l’eau, il sera probablement difficile de le détecter par inspection aux rayons X.

L’inspection aux rayons X a la capacité de détecter de nombreux contaminants, notamment le verre, la pierre minérale, l’os calcifié, ainsi que les plastiques et composés caoutchoucs à haute densité. La forme, la taille et l’emplacement d’un contaminant dans un produit ou le type d’emballage utilisé peuvent avoir un impact sur les niveaux de sensibilité. L’inspection aux rayons X offre également des niveaux exceptionnels de détection pour l’acier inoxydable ainsi que les métaux ferreux et non ferreux, même dans les produits emballés en boîtes, films métallisés ou feuilles d’aluminium.

Les systèmes à rayons X peuvent être utilisés pour détecter les contaminants à différentes étapes du processus de production, dans une gamme d’applications, allant des matières premières en flux en vrac aux repas prêts préparés emballés, en passant par des produits pompés à travers une canalisation vers des produits en bocaux en verre, bouteilles ou canettes métalliques.

Les systèmes à rayons X peuvent détecter des contaminants de différentes tailles, et la probabilité de détection varie selon plusieurs facteurs, notamment l’épaisseur, l’homogénéité, la densité et la taille des produits. Par exemple, les systèmes d’inspection par rayons X ont souvent de meilleurs taux de détection avec des produits homogènes, comme le fromage, car ils produisent des images plus nettes, comparés aux produits non homogènes, comme une boîte de céréales avec divers composants de densités différentes, par exemple des flocons, des noix et des fruits secs.

Les systèmes de rayons X inspectent les produits en vrac avant qu’ils ne soient emballés ou ajoutés comme ingrédients à un produit fini. Les applications typiques incluent les noix, les snacks extrudés, les fruits secs, les viandes transformées, ainsi que les céréales et céréales.

La sensibilité de détection dans les produits à flux en vrac est généralement meilleure que dans les emballages fermés finaux, car la profondeur du produit est généralement bien moindre. Une seule couche de produit, ou une profondeur constante de flux produit, peut être atteinte et améliore la sensibilité de la détection.

Il convient de prendre en compte l’emplacement de ces machines sur la chaîne de production. Par exemple, lorsqu’ils sont placés tôt dans le processus, ils peuvent inspecter les marchandises entrantes ou les matières premières, permettant ainsi l’élimination des contaminants à la source et les retraçés immédiatement jusqu’au fournisseur. Les contaminants présents dans les marchandises entrantes sont à leur plus grande concentration et les plus faciles à détecter, cependant, plus en aval, il existe un risque qu’ils se décomposent en fragments plus petits et moins détectables lors du processus de fabrication, sans parler du risque potentiel de dommages aux machines. Éliminer les corps étrangers tôt dans le processus de production présente de nombreux avantages, notamment l’empêchement d’ajouter de la valeur ajoutée aux produits par le traitement et l’emballage, minimisant ainsi les déchets et les coûts globaux de production.

Ces systèmes sont conçus pour inspecter les produits pompés, généralement des liquides, des boues et des pâtes avant l’emballage final et la valeur ajoutée. Les applications incluent sauces, confitures, viande hachée, volaille, chocolat, purée de fruits et tartinables produits laitiers.

Un faisceau scanne le produit lorsqu’il traverse un tuyau et détecte un produit contenant un contaminant, qui est ensuite détourné du bon produit via une vanne de déviation de rejet. Comme les machines à débit en vrac, le système de pipeline à rayons X est généralement situé en amont pour inspecter le produit à un stade précoce et offre des niveaux de détection améliorés car le produit est homogène. Trouver un contaminant dans un système de pipeline est bien plus facile que de le trouver dans un bocal en verre, bien que, comme l’emballage en verre comporte ses propres risques, il peut être nécessaire d’avoir plusieurs points de contrôle critiques (CCP) sur une chaîne de production.

Les produits emballés en vente au détail peuvent être inspectés par divers systèmes de rayons X selon l’application individuelle. Ces systèmes à rayons X peuvent être regroupés en trois catégories (ou trois types de systèmes d’armoire) : systèmes à faisceaux verticaux, systèmes à faisceaux horizontaux et systèmes qui combinent les deux.

Systèmes à faisceau vertical pour produits emballés

Les systèmes d’inspection aux rayons X utilisant des poutres verticaux sont couramment utilisés sur les lignes de production en vrac et en pipelines ainsi que sur les produits emballés au détail. Les produits emballés inspectés sur des systèmes à poutres verticales sont généralement plus petits en profondeur (c’est-à-dire en hauteur) qu’en largeur et en longueur. Les systèmes à poutres verticales inspectent les produits à travers leur section transversale verticale (qui a la plus faible profondeur de produit), ce qui facilite la visibilité des composants internes. L’image créée en utilisant cette géométrie de faisceau est une vue en plan du pack permettant une analyse détaillée du pack, offrant ainsi un haut niveau de sensibilité et de détection.

Systèmes à faisceau horizontal pour produits emballés

Les systèmes de rayons X à faisceau horizontal sont principalement utilisés pour les produits en emballage, où la hauteur du paquet est supérieure à sa largeur (contenants hauts et rigides). Puisqu’un facteur clé de la sensibilité à la détection est la profondeur du produit à travers laquelle les rayons X doivent passer, un balayage horizontal permet généralement de meilleurs taux de détection pour les packs de ce type. Les systèmes à faisceau horizontal existent en géométries à faisceau simple ou multiple, selon l’application spécifique.

Systèmes à faisceaux multiples

Bien que la technologie reste la même (que les systèmes à faisceau horizontal), les systèmes à rayons X peuvent être adaptés pour des applications particulières afin d’optimiser la probabilité de détection dans des applications telles que les bocaux en verre et d’autres types de contenants hauts et rigides.

Deux faisceaux de rayons X provenant d’un seul générateur (appelé faisceau divisé) augmentent la probabilité de détection de contaminants, car deux images sont créées simultanément sous des angles différents.

Cela est particulièrement utile pour les emballages tels que les boîtes métalliques, où il est difficile de détecter une contamination à la base ou aux parois latérales de la boîte.

En frappant deux détecteurs distincts, le système à double faisceau divisé surmonte ce défi car chaque canette est imagée deux fois, et chaque image représente un angle de vue différent, augmentant ainsi la couverture à l’intérieur du conteneur et la probabilité de détection.

Des faisceaux de rayons X doubles provenant de deux générateurs distincts augmentent également la détection en fournissant des images sous deux angles opposés.

Les produits emballés dans des bouteilles et bocaux en verre sont parmi les plus difficiles à inspecter, car la base, les parois latérales et le col peuvent provoquer des « angles morts » lorsqu’on les inspecte à l’aide d’un seul faisceau de rayons X. La probabilité de détection peut être améliorée en utilisant plusieurs faisceaux de rayons X — une combinaison de faisceaux verticaux et horizontaux. Par exemple, un faisceau vertical et trois rayons X horizontaux scannent simultanément le produit pour produire une série d’images sous différents angles, réduisant ainsi les angles morts et optimisant la détection. L’orientation du faisceau peut également être optimisée selon différents angles pour s’adapter au type de conteneur et au type de produit.

Choisir le type de faisceau correct pour une application spécifique est une décision complexe et une solution « une solution convient à tous » est rarement possible. Pour cette raison, il est conseillé d’obtenir des conseils supplémentaires auprès de professionnels expérimentés en inspection des produits et, dans de nombreux cas, des tests individuels de produits sont réalisés.

Les fabricants n’utilisent pas seulement l’inspection aux rayons X pour détecter les contaminants ; Les systèmes à rayons X peuvent simultanément effectuer une large gamme de contrôles d’intégrité et de qualité produits en ligne.

Les contrôles supplémentaires qu’un système de rayons X peut effectuer incluent :

• Mesure de la masse zonée et de la masse brute
• Composantes de comptage
• Identification des produits manquants ou cassés
• Surveillance des niveaux de remplissage
• Inspection de l’intégrité du joint
• Vérification des produits et emballages endommagés
• Détection d’agglomérats tels que les morceaux de saveur et de poudre
• Mesure de l’espace de tête

Avec l’intensification des réglementations sur la sécurité alimentaire et pharmaceutique, la conformité et la traçabilité à chaque étape du cycle de vie d’un produit prennent de plus en plus d’importance, et l’inspection par rayons X est de plus en plus utilisée par les fabricants de marques reconnues pour détecter et rejeter les produits contaminés.

Les systèmes d’inspection aux rayons X peuvent détecter des contaminants à chaque étape de la production pour les produits en vrac, en vrac, pompés et emballés, mais l’efficacité de la technologie dépend de la densité, de l’épaisseur et de l’homogénéité du produit.

Les rayons X ne traversent pas tous les matériaux avec la même facilité, et mesurer les différences d’absorption entre le produit et un contaminant est la base de la détection des corps étrangers lors de l’inspection par rayons X. La transparence d’un matériau par rapport aux rayons X est largement liée à sa densité : plus un produit est dense, plus il absorbe de rayons X et des contaminants cachés, y compris des corps étrangers comme le verre, l’os et le métal, apparaissent car ils absorbent plus de rayons X que le produit environnant, ce qui signifie qu’ils paraissent plus foncés sur une image en niveaux de gris.

Bien que les principes de base de l’inspection par rayons X soient les mêmes, c’est une technologie polyvalente et différentes applications nécessitent des systèmes de rayons X différents. Le choix du bon système est crucial pour le succès de l’inspection aux rayons X, car les contaminants ne peuvent être détectés que si chaque élément, de l’angle du faisceau au mécanisme de rejet, a été sélectionné pour s’adapter à la ligne et au produit. Une compréhension des différents formats et de leur adéquation aux différents types de défis de détection de contamination sous-tend donc la spécification et le choix du système.

Cependant, une chose est certaine : les produits qui réussissent à passer les systèmes d’inspection par rayons X renforcent la confiance des fabricants alimentaires et pharmaceutiques dans la qualité et la sécurité de leurs produits, les aidant à se conformer aux normes industrielles telles que la Global Food Safety Initiative (GFSI), le British Retail Consortium (BRC), la certification 22000 du système de sécurité alimentaire (FSSC 22000), la loi chinoise sur la sécurité alimentaire et la norme internationale de présentation pour les aliments (IFS).