O contador proporcional possui um cátodo e um ânodo que são mantidos em alguma tensão (acima de 1000 V), e o dispositivo é caracterizado por uma capacitância determinada pela geometria dos eletrodos. Num contador proporcional, o gás de enchimento da câmara é um gás inerte que é ionizado por radiação incidente e um gás de têmpera para garantir que cada descarga de pulso termine; uma mistura comum é 90% argônio, 10% metano, conhecido como P-10.
À medida que a radiação ionizante entra no gás entre os eletrodos, um número finito de pares de íons é formado. No ar, a energia média necessária para produzir um íon é de cerca de 34 eV; portanto, uma radiação de 1 MeV completamente absorvida no detector produz cerca de 3 x 10 4par de íons. O comportamento dos pares de íons resultantes é afetado pelo gradiente de potencial do campo elétrico dentro do gás e pelo tipo e pressão do gás de enchimento. Sob a influência do campo elétrico, os íons positivos se moverão em direção ao eletrodo carregado negativamente (cilindro externo) e os íons negativos (elétrons) migrarão em direção ao eletrodo positivo (fio central). O campo elétrico nessa região impede que os íons se recombinem com os elétrons. Nas imediações do fio do ânodo, a intensidade do campo se torna grande o suficiente para produzir avalanches de Townsend. Esta região de avalanche ocorre apenas frações de um milímetro do fio do ânodo, que por si só tem um diâmetro muito pequeno. O objetivo disso é usar o efeito de multiplicação da avalanche produzida por cada par de íons. Esta é a região da “avalanche”. Um dos principais objetivos do projeto é que cada evento ionizante original devido à radiação incidente produza apenas uma avalanche. Os fatores de amplificação de gás podem variar de unidade na região de ionização a 10 3 ou 10 4 na região proporcional . O alto fator de amplificação do contador proporcional é a principal vantagem sobre a câmara de ionização.
A coleta de todos esses elétrons produzirá uma carga nos eletrodos e um pulso elétrico no circuito de detecção. Cada pulso corresponde a um raio gama ou interação de partículas. A altura do pulso é proporcional ao número de elétrons originais produzidos. Mas, neste caso, a altura do pulso é amplificada significativamente pelo detector. O fator de proporcionalidade neste caso é o fator de amplificação de gás. O número de elétrons produzidos é proporcional à energia da partícula incidente. Portanto, contadores proporcionais são capazes de identificação de partículas e medição de energia (espectroscopia). Diferentes energias de radiação e diferentes tipos de radiação podem ser distinguidos através da análise da altura do pulso, uma vez que diferem significativamente na ionização primária (baixa LET versus alta LET).
A construção da câmara de ionização difere do contador proporcional. O design da placa plana é preferido para as câmaras de ionização, ou cilindros concêntricos podem ser utilizados na construção para permitir a integração dos pulsos produzidos pela radiação incidente. Contadores proporcionais e contadores Geiger geralmente utilizam cilindro e eletrodo central. O contador proporcional exigiria um controle exato do campo elétrico entre os eletrodos, o que não seria prático.
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