光电倍增管通常在真空壳体内安装一系列特殊电极，光子首先穿过透明窗打在光阴极上，产生初级电子发射。初级电子被强电场（或在磁场控制下）加速，轰击第一次极。这些加速后的高能电子能使次极释放更多的电子，它们再被电场加速后轰击第二次极。这样，一般经十次以上倍增，光电子放大倍数可达到10⁸～10¹⁰，它们最终到达高电势的阳极，形成放大了的光电流，输出电流和入射光子数成正比（见图）。单次光子的整个作用过程时间约秒。还有一种设计是利用弯曲铅玻璃管自身内部的二次电子发射构成小巧的倍增管。光电倍增管在全暗条件下，加工作电压后也会输出微弱电流，称为暗流，它主要来源于各阴极自身的热电子发射。由于入射光子需要在光阴极上产生初级电子发射，所以根据光电效应原理，入射光子的能量必须高于某一阈值，称为红限，其数值同光阴极的材料有关。由于红限的存在，光电倍增管在长波端只能应用到近红外波段，不能适用于亚毫米和射电等波段。具体应用中光电倍增管有两个不足需要注意：①灵敏度会因强光照射或因照射时间过长而降低，停止照射后又可部分地恢复，这种现象称为“疲乏”；②光阴极表面各点灵敏度可能不均匀。

光电倍增管原理图

由于光电倍增管增益高和响应时间短，且它的输出电流和入射光子数在较大动态范围内成正比，所以它被广泛使用在天体光度测量和天体分光光度测量中。其优点是：测量精度高，可以测量比较暗弱的天体，还可以测量天体光度的快速变化。天文测光中，应用较多的是锑铯光阴极的倍增管，其极大量子效率在4200埃附近，为20%左右。还有一种双硷光阴极的光电倍增管，它在信噪比方面具有优势，暗流很低。为了观测近红外区，常用多硷光阴极和砷化镓阴极的光电倍增管，后者量子效率最大可达50%。

普通光电倍增管只能作为单像素探测器使用，即通道数为1。现在已研制成多阳极光电倍增管，它相当于许多很细的倍增管组成的矩阵。由于通道数受阳极末端细金属丝的限制，通常只做到上百个通道。