美国P.E空心阴极灯的原理是一种特殊形式的低压气体放电光源，放电集中于阴极空腔内。当在两极之间施加200V-500V电压时，便产生辉光放电。在电场作用下，电子在飞向阳极的途中，与载气原子碰撞并使之电离，放出二次电子，使电子与正离子数目增加，以维持放电。正离子从电场获得动能。如果正离子的动能足以克服金属阴极表面的晶格能，当其撞击在阴极表面时，就可以将原子从晶格中溅射出来。除溅射作用之外，阴极受热也要导致阴极表面元素的热蒸发。溅射与蒸发出来的原子进入空腔内，再与电子、原子、离子等发生第二类碰撞而受到激发，发射出相应元素的特征的共振辐射。与此同时，HCL所发射的谱线中还包含了内充气、阴极材料和杂质元素等谱线。
美国P.E空心阴极灯的结构由阴极、阳极、支架、屏蔽层、逐级密封石英套、光窗组成，内充低压惰性气体，一般为氖气或氩气，阴极大多数为纯金属或合金，对于一些贵金属，则将其制成薄片衬在支持电极上。
阴极在中间为空桶形状，因此得名。
阳极为一焊有钽片或钛丝的钨棒，因为钽片或钛丝具有吸气作用，在高温下可以吸收少量有害气体。一般体积硕大。
美国P.E空心阴极灯是低压辉光放电锐线光源，利用不同元素发出不同的特种谱线，激发火焰中的待测原子，经光电倍增管接收，放大数据处理得到结果，不同的元素，需要不同的灯。
虽然也有多元素空心阴极灯，是将多种金属粉末按一定的比例混合并压制和烧结，作为阴极。
