Der Proportionalzähler hat eine Kathode und eine Anode, die auf einer Spannung (über 1000 V) gehalten werden, und die Vorrichtung ist durch eine Kapazität gekennzeichnet, die durch die Geometrie der Elektroden bestimmt wird. In einem Proportionalzähler ist das Füllgas der Kammer ein Inertgas, das durch einfallende Strahlung ionisiert wird, und ein Quenchgas, um sicherzustellen, dass jede Impulsentladung endet; Eine übliche Mischung ist 90% Argon, 10% Methan, bekannt als P-10.
Wenn ionisierende Strahlung in das Gas zwischen den Elektroden eintritt, wird eine endliche Anzahl von Ionenpaaren gebildet. In Luft beträgt die durchschnittliche Energie, die zur Erzeugung eines Ions benötigt wird, ungefähr 34 eV, daher erzeugt eine 1 MeV-Strahlung, die vollständig im Detektor absorbiert wird, ungefähr 3 × 10 4Ionenpaar. Das Verhalten der resultierenden Ionenpaare wird durch den Potentialgradienten des elektrischen Feldes innerhalb des Gases und die Art und den Druck des Füllgases beeinflusst. Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes bewegen sich die positiven Ionen in Richtung der negativ geladenen Elektrode (äußerer Zylinder) und die negativen Ionen (Elektronen) wandern in Richtung der positiven Elektrode (zentraler Draht). Das elektrische Feld in dieser Region hält die Ionen davon ab, sich mit den Elektronen zu rekombinieren. In unmittelbarer Nähe des Anodendrahtes wird die Feldstärke groß genug, um Townsend-Lawinen zu erzeugen. Dieser Lawinenbereich tritt nur Bruchteile eines Millimeters vom Anodendraht auf, der selbst einen sehr kleinen Durchmesser hat. Ziel ist es, den Multiplikationseffekt der von jedem Ionenpaar erzeugten Lawine zu nutzen. Dies ist die „Lawinenregion“. Ein wichtiges Entwurfsziel ist, dass jedes ursprüngliche ionisierende Ereignis aufgrund einfallender Strahlung nur eine Lawine erzeugt. Die Gasverstärkungsfaktoren können von 1 im Ionisationsbereich bis 10 3 oder 10 4 im Proportionalbereich reichen . Der hohe Verstärkungsfaktor des Proportionalzählers ist der Hauptvorteil gegenüber der Ionisationskammer.
Das Sammeln all dieser Elektronen erzeugt eine Ladung an den Elektroden und einen elektrischen Impuls über die Detektionsschaltung. Jeder Impuls entspricht einem Gammastrahl oder einer Partikelwechselwirkung. Die Impulshöhe ist proportional zur Anzahl der ursprünglich erzeugten Elektronen. In diesem Fall wird die Impulshöhe jedoch vom Detektor erheblich verstärkt. Der Proportionalitätsfaktor ist in diesem Fall der Gasverstärkungsfaktor. Die Anzahl der erzeugten Elektronen ist proportional zur Energie des einfallenden Teilchens. Proportionalzähler sind daher in der Lage, Partikel zu identifizieren und Energie zu messen (Spektroskopie). Unterschiedliche Strahlungsenergien und Strahlungsarten können durch Analyse der Impulshöhe unterschieden werden, da sie sich in der Primärionisation signifikant unterscheiden (low-LET vs. high-LET).
Der Aufbau der Ionisationskammer unterscheidet sich vom Proportionalzähler. Die flache Plattenkonstruktion wird für Ionisationskammern bevorzugt, oder es können konzentrische Zylinder bei der Konstruktion verwendet werden, um die Integration von Impulsen zu ermöglichen, die durch die einfallende Strahlung erzeugt werden. Proportional- und Geigerzähler verwenden üblicherweise Zylinder und Mittelelektrode. Der Proportionalzähler würde eine so genaue Steuerung des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden erfordern, dass dies nicht praktikabel wäre.
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