Le compteur proportionnel a une cathode et une anode qui sont maintenues à une certaine tension (au-dessus de 1000 V), et le dispositif est caractérisé par une capacité qui est déterminée par la géométrie des électrodes. Dans un compteur proportionnel, le gaz de remplissage de la chambre est un gaz inerte qui est ionisé par un rayonnement incident, et un gaz de trempe pour assurer la fin de chaque décharge impulsionnelle; un mélange commun est composé à 90% d’argon, 10% de méthane, appelé P-10.
Lorsque le rayonnement ionisant pénètre dans le gaz entre les électrodes, un nombre fini de paires d’ions se forme. Dans l’air, l’énergie moyenne nécessaire pour produire un ion est d’environ 34 eV, donc un rayonnement de 1 MeV complètement absorbé dans le détecteur produit environ 3 x 10 4paire d’ions. Le comportement des paires d’ions résultantes est affecté par le gradient potentiel du champ électrique dans le gaz et le type et la pression du gaz de remplissage. Sous l’influence du champ électrique, les ions positifs se déplaceront vers l’électrode chargée négativement (cylindre extérieur) et les ions négatifs (électrons) migreront vers l’électrode positive (fil central). Le champ électrique dans cette région empêche les ions de se recombiner avec les électrons. À proximité immédiate du fil d’anode, l’intensité du champ devient suffisamment grande pour produire des avalanches de Townsend. Cette région d’avalanche ne se produit qu’à des fractions de millimètre du fil d’anode, lui-même de très petit diamètre. Le but est d’utiliser l’effet multiplicateur de l’avalanche produite par chaque paire d’ions. Il s’agit de la région «avalanche». Un objectif clé de la conception est que chaque événement ionisant d’origine dû au rayonnement incident ne produit qu’une seule avalanche. Les facteurs d’amplification des gaz peuvent aller de l’unité dans la région d’ionisation à 10 3 ou 10 4 dans la région proportionnelle . Le facteur d’amplification élevé du compteur proportionnel est l’avantage majeur par rapport à la chambre d’ionisation.
La collecte de tous ces électrons produira une charge sur les électrodes et une impulsion électrique à travers le circuit de détection. Chaque impulsion correspond à une interaction de rayons gamma ou de particules. La hauteur d’impulsion est proportionnelle au nombre d’électrons d’origine produits. Mais dans ce cas, la hauteur d’impulsion est considérablement amplifiée par le détecteur. Le facteur de proportionnalité dans ce cas est le facteur d’amplification du gaz. Le nombre d’électrons produits est proportionnel à l’énergie de la particule incidente. Par conséquent, les compteurs proportionnels sont capables d’identifier les particules et de mesurer l’énergie (spectroscopie). Différentes énergies de rayonnement et différents types de rayonnement peuvent être distingués en analysant la hauteur d’impulsion, car ils diffèrent considérablement dans l’ionisation primaire (LET faible vs LET élevé).
La construction de la chambre d’ionisation diffère du compteur proportionnel. La conception à plaque plate est préférée pour les chambres d’ionisation, ou des cylindres concentriques peuvent être utilisés dans la construction pour permettre l’intégration des impulsions produites par le rayonnement incident. Les compteurs proportionnels et les compteurs Geiger utilisent généralement un cylindre et une électrode centrale. Le compteur proportionnel nécessiterait un contrôle si précis du champ électrique entre les électrodes qu’il ne serait pas pratique.
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