Werden in einem Zählrohr die durch ionisierende Strahlung erzeugten Ladungsträger im bestehenden elektrischen Feld so stark beschleunigt, daß sie durch Wechselwirkung mit dem Zählgas ihrerseits weitere Ladungsträger erzeugen können, so kann auf diese Weise eine erhebliche Verstärkung des Meßeffektes erzielt werden. Man nennt dieses Phänomen Gasverstärkung. Die Gesamtzahl der stattfindenden Ionisationen ist proportional der durch die einfallende Strahlung verursachten Primärionisationen. Der Proportionalitätsfaktor, auch Gasverstärkungsfaktor genannt, liegt hier im Bereich von 10E2 bis 10E4. Um diesen Faktor sind auch die Spannungsimpulse verglichen zu denen einer Ionisationskammer größer.

Dies erhöht die Sensitivität, d.h. die Nachweisempfindlichkeit beträchtlich. Eine Erhöhung des Gasdruckes führt ebenfalls zu einer gesteigerten Sensitivität. Zusätzlich verbessert sich die Energieauflösung, da eine erheblich größere Anzahl an Ladungsträgern durch ein einzelnes Ionisationsereignis produziert wird und damit die statistische Fluktuation dieser Anzahl, die ja proportional der Energie der ionisierenden Strahlung ist, geringer wird.

Die zeitliche Auflösung, d.h. die kürzest mögliche Zeitspanne zwischen zwei Ionisationsereignissen die gerade noch detektiert werden kann, liegt im Bereich von µs, sofern nur die Ladungssammlungszeit der Elektronen berücksichtigt wird und die Beiträge der langsameren positiven Ionen durch Differentiation des elektrischen Signals eliminiert werden.

Die im Bereich C betriebenen Gasionisationsdetektoren bezeichnet man als Proportionalzähler. Für sie wählt man im allgemeinen ein elektrisches Feld, das ein zur Sammelelektrode zunehmendes Potentialgefälle aufweist. Solche Verhältnisse bestehen beispielsweise bei einem zylindersymmetrischen Feld, wobei die Anode als dünner Draht auf der Zylinderachse ausgelegt ist.

Gasverstärkung
Beim Durchgang eines ionisierendenTeilchens durch das Zählrohr werden die primär erzeugten Ladungsträger je nach Polarität zu den entsprechenden Elektroden hin beschleunigt. Hierbei ist zu beachten, daß die freigesetzten Elektronen wegen ihrer geringeren Masse eine größere Beschleunigung erfahren als vergleichsweise die positiven Ionen. Wird die Polarität der angelegten Zählrohrspannung so gewählt, daß die Elektronen zum Zähldraht hinwandern, so werden diese auf dem Weg zum Zähldraht so viel Energie aufnehmen, daß sie durch Stoßionisation weitere Ladungsträger erzeugen können. Aufgrund der zum Zähldraht hin zunehmenden Feldstärke tritt Stoßionisation im allgemeinen erst in der Nähe der Sammelelektrode auf.

Bei der Wechselwirkung von ionisierenden Teilchen mit Materie können aber auch Anregungszustände entstehen, die eine Emission von Photonenstrahlung im sichtbaren und ultravioletten Bereich zur Folge haben. Die Energie dieser Photonen kann so hoch sein, daß sie aus dem Elektrodenmaterial weitere Elektronen durch Photoeffekt auslösen können. Bei einigen Gasgemischen kann eine derartige Energietransformation bereits im Zählgas erfolgen. So kann durch Beimischung von schweren Edelgasen wie Xenon die Gasverstärkung und damit die Nachweisempfindlichkeit wesentlich erhöht werden.

Ein Proportionalzähler darf, da er auf dem Prinzip der Gasverstärkung beruht, kein Füllgas enthalten, das negative Ionen bilden kann, da diese die freigesetzten Elektronen absorbieren würde. Aus diesem Grund ist Luft ausgeschlossen, und eine Mischung aus beispielsweise 90% Argon und 10% Methan kommt zum Einsatz.

Xenonzähler
Speziell für Kontaminationsmessungen an Oberflächen wurden Großflächenproportionalzählrohre mit Xenonfüllung, sogenannte Xenonzähler entwickelt. Das Zählrohrvolumen ist hier abgeschlossen. Als Strahleneintrittsfenster dient eine Aluminium- oder Titanfolie mit einer Flächendichte von etwa 25 mg/cm2. Derartige Zählrohre eignen sich besonders für den Nachweis niederenergetischer Gamma-Strahlung.