Đetectơ bán dẫn siêu tinh khiết HPGe có những ưu điểm rõ rệt là không phải bảo quản liên tục trong nitơ lỏng, đồng thời độ phân giải năng lượng, hiệu suất ghi cũng hơn hẳn các đetectơ bán dẫn khuếch tán có cùng thể tích. Việc sử dụng đetectơ bán dẫn trong hệ phổ kế gamma đơn tinh thể rất đơn giản. Cấu hình chủ yếu của hệ đo là như trong hình 18.
Hình 21. Sơđồ khối của phổ kế gamma bán dẫn đơn tinh thể.
Đetectơ bán dẫn được ghép nối với khuếch đại phổ. Tín hiệu ở lối ra của đetectơ được khuếch đại phổ khuếch đại về biên độ và tạo dạng thích hợp cho ADC phân tích biên độ đỉnh xung. Hệ thống ghép nối Interface sẽ thu nhận dữ liệu sau khi ADC biến đổi xong và xếp vào ô nhớ. Số lượng xung có cùng giá trị biên độ tương ứng với số lượng giá trị năng lượng của lượng tử gamma mà
đetectơ hấp thụ được. Khi bức xạ gamma tương tác với đetectơ, phần năng lượng mà đetectơ hấp thụ được lại tuỳ thuộc vào quá trình tương tác xảy ra theo kiểu nào. Thường thì quá trình tương tác tuân theo một trong ba hiệu ứng tương tác dưới đây:
- Đetectơ hấp thụ hoàn toàn năng lượng của lượng tử gamma theo hiệu ứng quang điện.
- Đetectơ hấp thụ chỉ được một phần năng lượng gamma theo hiệu ứng compton - do góc tán xạ compton thay đổi trong dải rộng từ 0 tới 1800 nên phần năng lượng hấp thụ được cũng nằm trong dải rộng và không tạo thành đỉnh (ở đây cũng có thể có tán xạ compton nhiều lần dẫn đến toàn bộ năng lượng của lượng tử gamma hấp thụ hết và quá trình này cũng đóng góp vào các đỉnh xuất hiện do hiệu ứng quang điện).
- Hiệu ứng tạo cặp xuất hiện khi năng lượng lượng tử gamma lớn hơn 1500 keV (lý thuyết là 1022 keV). Quá trình tương tác do hiệu ứng tạo cặp sinh ra cặp electron - pozitron. Bên trong đetectơ, quãng chạy của các hạt tích điện rất ngắn và năng lượng của electron sẽ nhanh chóng bị hấp thụ. Còn pozitron sẽ nhanh chóng bị huỷ cặp tạo nên hai lượng tử gamma 511 keV. Nếu cả hai lượng tử gamma cùng bị hấp thụ thì quá trình này tương đương hấp thụ quang điện. Nếu một trong hai lượng tử gamma bay ra ngoài, phần năng lượng bị hấp thụ sẽ tạo nên đỉnh thoát đơn, nếu cả hai lượng tử gamma bay ra ngoài, phần năng lượng bị hấp thụ sẽ tạo nên đỉnh thoát kép. Như vậy quá trình tạo cặp của một chuyển dời sẽ đóng góp thêm 2 đỉnh ngoài đỉnh hấp thụ toàn phần và thêm phần phông liên tục do tán xạ compton khi có huỷ cặp. Trên hình 22 là phổ bức xạ gamma của Cl35(n,γ)Cl36: Để đánh giá chất lượng đỉnh, người ta thường dùng tỷ số diện tích đỉnh trên phông và nhiều khi số đếm của phông lớn gấp nhiều lần diện tích đỉnh. Do vậy, sai số của việc xác định tiết diện đỉnh - cường độ chuyển dời tăng lên đáng kể.
Hình 22. Phổ bức xạ gamma đơn tinh thể.
Phổ bức xạ gamma trên hình 22 có nền phông lớn và bản thân nền phông cũng phức tạp chứ không đơn thuần là giảm tuyến tính theo chiều tăng của năng lượng. Số lượng đỉnh rất lớn, có cả những đỉnh thoát đơn và thoát kép rất mạnh và nhiều khi mạnh hơn hẳn những đỉnh hấp thụ toàn phần có năng lượng gần kề. Như vậy, việc xác định các chuyển dời có cường độ nhỏ sẽ chịu hai nguồn sai số lớn: Sai số do phông và sai số do có các chuyển dời mạnh ảnh hưởng tới.
Trong nghiên cứu cấu trúc hạt nhân, từ các chuyển dời thu được trong phổ bức xạ gamma đơn tinh thể, không thể sắp xếp sơ đồ mức kích thích do không biết được thứ tự của các chuyển dời. Với các chuyển dời đo được trong phổ này thì không thể xác định được đâu là chuyển dời sơ cấp, đâu là chuyển dời thứ cấp, những chuyển dời nào thuộc về cặp phân rã nối tầng... Do vậy cũng không thể đánh giá được những thông số như mật độ mức hạt nhân, hàm lực của chuyển dời gamma... Ngoài lý do về tỷ số diện tích đỉnh trên nền phông, độ phức tạp của phổ thì lý do vừa nêu trên là quan trọng nhất để phát triển các phương pháp nghiên cứu sử dụng đetectơ bán dẫn ghi bức xạ gamma.