Le compteur à grille permet d'améliorer le compteur Geiger-Müller et de mesurer des faibles radioactivités dans le cas où l'isotope actif est relativement peu abondant dans l'élément mesuré ou le cas où il a intrinsèquement une faible activité. Ce dispositif est inventé par Willard Frank Libby au début des années 1930 et devient à la fin des années 1940 l'élément central de la réalisation technique de la datation au carbone 14 par Libby et ses collaborateurs.
Dès 1930, Libby construit un compteur Geiger-Müller, le premier construit aux États-Unis. Le système d'amplification mis au point à l'occasion fait l'objet du premier article que signe Libby. Un autre article publié en 1934 dans Physical Review présente les conclusions du travail de thèse de Libby sur la radioactivité naturelle du néodyme et du samarium. Un aspect important de cet article est la description de la technique de mesure de radioactivité baptisée « screen-wall counter » (ou « compteur à grille »).
Le compteur Geiger-Müller construit par Libby en 1930 consiste en un tube en laiton autour d'un fil de fer et rempli d'air à pression réduite. Le fil est porté à un potentiel positif de 2000 volts par rapport au tube. Lorsqu'une radiation ionisante traverse le tube, elle provoque une décharge qui fait chuter brutalement le potentiel du fil. Après amplification, un microampèremètre détecte le courant généré et donc le passage de la radiation.
Le compteur Geiger-Müller ne détecte pas les radiations de trop faible énergie pour traverser le tube en laiton qui fait office de cathode. Dans un compteur à grille, ce tube est donc remplacé par une grille à larges mailles de manière à laisser passer toutes les radiations, même les plus faibles. Souvent, le terme « compteur à grille » ne désigne pas seulement le compteur mais, par extension, l'ensemble du dispositif qui l'entoure.
Pour mesurer des faibles radioactivités, une méthode différentielle, qui corrige le bruit de fond dû aux rayons cosmiques et aux contaminations par de faibles quantités de substances très radioactives, est indispensable. Cette méthode doit tenir compte des possibles variations du bruit de fond au cours du temps. À cet effet, une chambre cylindrique étanche est remplie d'un gaz qui peut facilement être ionisé comme de l'hydrogène. Le compteur à grille occupe le centre de la chambre. Une tension de 50 volts entre la paroi de la chambre et la grille du compteur à grille empêche l'accumulation d'ions dans l'espace intermédiaire.
Une couche d'échantillon radioactif suffisamment fine pour ne pas absorber les radiations émises est déposée sur une moitié de la paroi intérieure d'un cylindre dont la longueur mesure deux tiers de la longueur de la chambre. Le cylindre est placé dans la chambre où il peut coulisser. À intervalles de temps régulier, le cylindre coulisse de la moitié de sa longueur. Par conséquent, une moitié du cylindre puis l'autre est mise dans la région de sensibilité du compteur à grille qui mesure ainsi l'activité de l'échantillon radioactif plus le bruit de fond puis le bruit de fond seul alternativement. Le mouvement du cylindre et l'enregistrement de l'activité sont automatisés.