In einem Glaskolben befindet sich ein Gas (meist Quecksilberdampf, aber auch Neon ist üblich) mit niedrigem Druck, typischerweise im Bereich von 10 bis 20 mbar. Auf einer Seite des Glaskolbens befindet sich eine geheizte Glühkathode K, die durch die regelbare Spannung Ub etwas negativer als das Gitter G geladen wird. Wenige Millimeter hinter dem Gitter befindet sich eine Auffangelektrode A, die gegenüber dem Gitter ein leicht negatives Potential von etwa 1 V besitzt.

Sinn dieser Anordnung ist, Elektronen zwischen K und G zu beschleunigen und mit den Quecksilberatomen zusammenstoßen zu lassen. Mit dem schwachen Gegenfeld zwischen G und A wird dann gemessen, wie viele Elektronen beim Durchtritt durch G noch eine gewisse Mindestenergie überschreiten.

Die von der Kathode emittierten Elektronen werden durch das elektrische Feld zwischen Kathode und Gitter beschleunigt und erreichen unmittelbar vor dem Gitter ihre höchste Geschwindigkeit. Die meisten Elektronen landen auf dem Gitter, durchlaufen die Stromquelle Ub und werden dann wieder zur Kathode zurücktransportiert. Wenige passieren das Gitter und werden von dem schwachen elektrischen Feld zwischen Gitter und Auffangelektrode A abgebremst (sogenannte Gegenfeldmethode). Die wenigen Elektronen, die dieses Gegenfeld überwinden können, treffen auf A und werden auf dem Rückweg zum Gitter mit Hilfe eines empfindlichen Amperemeters gemessen.