Questi dispositivi sono stati tra i primi utilizzati per la rivelazione di particelle. Essi sfruttano la ionizzazione prodotta dal passaggio di un fotone o di una particella carica in un gas; in tale processo un elettrone viene rimosso da un atomo o da una molecola in modo da creare una coppia elettrone-ione positivo.

Principio di funzionamento

Un gas è un mezzo naturale per la raccolta della ionizzazione provocata dalla radiazione, grazie alla grande mobilità che in esso hanno ioni ed elettroni.
Esistono diverse configurazioni per i rivelatori a gas, ma in ogni caso essi sono costituiti da un contenitore riempito con un gas facilmente ionizzabile; il rivelatore deve essere costituito da almeno due componenti uno che funge da catodo e uno che mantenuto ad un potenziale +V₀ rispetto al catodo, funge da anodo. 
Se una radiazione penetra nel rivelatore sarà creato un certo numero di coppie ione-elettrone, sia direttamente, se la radiazione è una particella carica, che indirettamente attraverso radiazioni secondarie, se la radiazione è neutra.
Il numero medio di coppie create è proporzionale all'energia depositata nel dispositivo. Sotto l'azione del campo elettrico, gli elettroni vengono accelerati verso l'anodo e gli ioni verso il catodo.
Il segnale in uscita dipende dal potenziale applicato, come si nota dalla figura sottostante:

Nella regione A non tutte le cariche prodotte vengono raccolte in quanto, a causa del piccolo valore del campo elettrico, il processo di ricombinazione delle varie coppie ione-elettrone è notevole.
Aumentando la differenza di potenziale applicata il tempo a disposizione per la ricombinazione diminuisce, perché aumenta la componente della velocità delle coppie lungo la direzione del campo; questo crea un aumento della carica raccolta.
Nella regione B, chiamata di saturazione o di camera a ionizzazione, gli effetti della ricombinazione diventano trascurabili e la carica raccolta è tutta quella prodotta.
Nelle regioni C e D il campo elettrico è sufficientemente intenso da far acquistare agli elettroni primari prodotti energia cinetica sufficiente a ionizzare gli atomi del gas producendo, così, una moltiplicazione a valanga di ioni. La ionizzazione secondaria è ancora strettamente dipendente da quella primaria ed è in questa regione che lavorano i contatori proporzionali.
Nella regione E, detta di Geiger-Muller, la carica raccolta non è più proporzionale alla ionizzazione primaria;  oltre alla ionizzazione si hanno altri fenomeni quali l'eccitazione seguita da emissione di luce visibile e ultravioletta; questo produce un impulso costante in un certo intervallo del potenziale applicato, indipendentemente dal tipo di particella incidente.
Nella regione F non è più possibile nessun tipo di rivelazione: l'impulso in uscita non dipende più dalla radiazione incidente, poiché avviene una scarica in presenza o meno di radiazione.

Tra i rivelatori a gas sviluppati nella prima metà del secolo scorso, sono particolarmente importanti le camere a ionizzazione (che lavorano nella regione B), i contatori proporzionali (nella regione C) e i contatori Geiger-Muller (nella regione E).
Molti rivelatori a gas, in versione più o meno modificata, sono ancora attualmente usati nella fisica nucleare e delle particelle.

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