Малую амплитуду импульсов, возникающих в ионных камерах, можно устранить, используя газонаполненные детекторы другим способом. Пропорциональный счетчик использует явление умножения газа для увеличения размера импульса в сотни или тысячи раз. В результате импульсы пропорционального счетчика находятся в диапазоне милливольт, а не микровольт, и поэтому могут быть обработаны гораздо легче.
Размножение газа является следствием движения свободного электрона в сильном электрическом поле. Когда напряженность поля превышает примерно 104 вольт на сантиметр, электрон может получить достаточно энергии между столкновениями, чтобы вызвать вторичную ионизацию в газе. После такого ионизирующего столкновения на месте прежнего электрона остаются два свободных. В однородном электрическом поле при таких условиях число электронов будет расти экспоненциально, поскольку они притягиваются в направлении, противоположном приложенному электрическому полю. Рост популяции электронов прекращается только тогда, когда они достигают анода. Такой поток электронов называется лавиной Таунсенда и вызывается одним свободным электроном. Общее число электронов, образующихся в лавине, может достигать 1000 и более, на столько же умножается и заряд, образующийся в газе. Лавина Таунсенда происходит за время менее одной микросекунды при типичных условиях работы пропорционального счетчика. Поэтому этот дополнительный заряд обычно вносит свой вклад в импульс, который наблюдается при взаимодействии одного падающего кванта.
В пропорциональном счетчике цель состоит в том, чтобы каждый первоначальный свободный электрон, образующийся на пути частицы, создавал свою собственную лавину Таунсенда. Таким образом, на каждую падающую заряженную частицу образуется множество лавин. Одной из задач конструкции является поддержание одинакового размера каждой лавины, чтобы конечный суммарный заряд, который создается, оставался пропорциональным количеству исходных пар ионов, образовавшихся на пути частицы. Пропорциональность между размером выходного импульса и количеством энергии, потерянной падающим излучением в газе, лежит в основе термина пропорциональный счетчик.
Практически во всех пропорциональных счетчиках используется проволочный анод малого диаметра, помещенный внутрь более крупного, обычно цилиндрического, катода, который также служит для удержания газа. В таких условиях напряженность электрического поля неоднородна и достигает больших значений в непосредственной близости от поверхности проволоки. Почти весь объем газа находится вне этой области высокого поля, и электроны, образованные в случайном месте газа падающим излучением, дрейфуют к проволоке, не создавая вторичной ионизации. По мере приближения к проволоке они подвергаются воздействию постоянно увеличивающегося электрического поля, и в конце концов его величина становится достаточно высокой, чтобы вызвать возникновение лавины Таунсенда. Затем лавина растет до тех пор, пока все электроны не достигнут поверхности проволоки. Поскольку почти все лавины формируются в одинаковых условиях электрического поля, независимо от положения в газе, где первоначально образовался свободный электрон, выполняется условие, чтобы их интенсивность была одинаковой. Более того, высокая напряженность электрического поля, необходимая для образования лавины, может быть получена при приложении напряжения между анодом и катодом не более нескольких тысяч вольт. Вблизи поверхности проволоки напряженность электрического поля изменяется обратно пропорционально расстоянию от центра проволоки, поэтому при малом диаметре проволоки вблизи поверхности могут наблюдаться чрезвычайно высокие значения поля. Величина выходного импульса увеличивается с ростом напряжения, приложенного к пропорциональному tu
Для поддержания лавины Таунсенда отрицательные заряды, образовавшиеся при ионизации, должны оставаться в виде свободных электронов. В некоторых газах существует тенденция к тому, что молекулы нейтрального газа могут захватить дополнительный электрон, образуя тем самым отрицательный ион. Поскольку масса отрицательного иона в тысячи раз больше массы свободного электрона, он не может набрать достаточную энергию при столкновениях, чтобы вызвать вторичную ионизацию. Электроны не очень легко присоединяются к молекулам инертных газов, поэтому аргон является одним из распространенных вариантов газа-заполнителя в пропорциональных счетчиках. Подходят и многие другие виды газов. Однако кислород легко присоединяется к электронам, поэтому воздух не может использоваться в качестве газа-заполнителя пропорциональных счетчиков в обычных условиях. Поэтому пропорциональные счетчики должны быть либо герметично закрыты от утечки воздуха, либо работать как детекторы с непрерывным потоком газа, в которых любое загрязнение воздуха выметается из детектора путем непрерывного пропускания заполняющего газа через активный объем.
Для пропорциональных счетчиков обычного размера в газе могут быть полностью остановлены только тяжелые заряженные частицы или другие слабопроникающие излучения. Поэтому их можно использовать для измерения энергии альфа-частиц, но не для более дальнодействующих бета-частиц или других быстрых электронов. Низкоэнергетические электроны, образующиеся при взаимодействии рентгеновских лучей в газе, также могут быть полностью остановлены, и пропорциональные счетчики также находят применение в качестве рентгеновских спектрометров. Даже если быстрые электроны не депонируют всю свою энергию, процесс умножения газа приводит к импульсу, который обычно достаточно велик для регистрации, поэтому пропорциональные счетчики можно использовать в простых системах подсчета бета-частиц или гамма-лучей.
