Las cámaras de detección (cámara de niebla, cámara de burbujas y cámara multi-hilos) se usan para observar e identificar partículas de radiación ionizante.

La primera cámara de detección fue la cámara de niebla, inventada por el físico escocés Wilson (1869-1959). En su forma más sencilla es un entorno cerrado que contiene vapor de agua superenfriado y supersaturado. Cuando una partícula cargada de suficiente energía interacciona con el vapor, lo ioniza, y los iones obtenidos actúan como núcleos de condensación, alrededor de los cuales se forman gotas de líquido que dan lugar a una niebla. Así, al paso de las partículas se va produciendo una estela o traza, debido a los numerosos iones producidos a lo largo de su trayectoria. Wilson recibió el Premio Nobel de física en 1927.

Cuando se aplica un campo magnético vertical a una cámara de niebla, sobre las partículas cargadas se ejerce la fuerza de Lorentz. Su trayectoria se curva, y el radio de la curvatura y el sentido del giro, permiten deducir la masa de la partícula y el signo de su carga.

25 años después de la invención de la cámara de niebla, se inventó la cámara de burbujas. En 1952 Glaser (1926-....) ideó un dispositivo similar a la cámara de niebla, pero que funciona de manera inversa a ella, donde el material con el que interaccionan las partículas cargadas es un líquido en lugar de un gas y se forman burbujas de vapor al paso de las partículas cargadas en lugar de gotas de líquido. Al estar rellenas con un material más denso, se producen más interacciones, lo que aumenta la probabilidad de detectar nuevas partículas. Además, la cámara de burbujas se reactiva más rápidamente tras su uso que las de niebla. Estos factores hicieron que rápidamente la cámara de burbujas se convirtiera en el detector de partículas preferido, por lo que las cámaras de niebla desaparecieron en la investigación fundamental a comienzos de los años 1960. Glaser recibió el Premio Nobel de Física en 1960.

Una vez identificada o aislada la traza dejada por una partícula cargada en la cámara de burbujas, el signo de su carga se conoce inmediatamente, ya que la trayectoria es siempre una espiral de radio decreciente, a causa de que la partícula se va frenando a medida que interacciona con el líquido (en el ejemplo mostrado en la imagen adjunta, el sentido de giro es el contrario a las agujas del reloj). Si también se conoce la velocidad inicial de la partícula cargada, es igual de sencillo obtener la relación entre su carga y su masa, después de medir directamente en la fotografía el radio de curvatura de la mayor circunferencia.

La cámara multi-hilos se basa un dispositivo anterior, llamado contador proporcional, que consiste en un cable delgado situado en el centro de un tubo de un centímetro de diámetro, rellenado con un gas especial. Entre el cable y las paredes del tubo se aplica una diferencia de potencial de varios kilovoltios. Cuando una partícula cargada atraviesa el tubo ioniza el gas y los iones (positivos) se desplazan hacia el cable central, que funciona como un ánodo.

En las proximidades del cable el campo eléctrico es muy intenso y provoca una rápida aceleración de los electrones, que adquieren la energía suficiente para ionizar más átomos y liberar más electrones, que vuelven a ser acelerados. Así se genera una avalancha de electrones e iones que produce una señal eléctrica en el cable.

A modo de desarrollo del contador convencional, la cámara multi-hilos está formada por un gran número de cables muy finos dispuestos paralelamente sobre un plano situado entre dos placas paralelas (los cátodos) separadas unos pocos centímetros. Los cables que hacen de ánodos tienen un diámetro de unas décimas de milímetro y están separados entre sí por una distancia de unos pocos milímetros. Charpak se dio cuenta de que cada uno de estos cables podía recoger el paso de cientos de partículas por segundo y funcionar igual que lo hace un contador proporcional, pero con mucha mayor resolución.