空心陰極燈是一種特殊形式的低壓氣體放電光源，放電集中于陰極空腔內。當在兩極之間施加200V-500V電壓時，便產生輝光放電。在電場作用下，電子在飛向陽極的途中，與載氣原子碰撞并使之電離，放出二次電子，使電子與正離子數目增加，以維持放電。
正離子從電場獲得動能。如果正離子的動能足以克服金屬陰極表面的晶格能，當其撞擊在陰極表面時，就可以將原子從晶格中濺射出來。除濺射作用之外，陰極受熱也要導致陰極表面元素的熱蒸發。濺射與蒸發出來的原子進入空腔內，再與電子、原子、離子等發生第二類碰撞而受到激發，發射出相應元素的特征的共振輻射。與此同時，HCL所發射的譜線中還包含了內充氣、陰極材料和雜質元素等譜線。
因為燈內填充氣體壓力低，壓力變寬很小；陰極溫度較低，熱變寬也很小；同時，因為氣體密度低，自吸變寬也不存在。HCL基本滿足發射譜線的半寬度窄、譜線強度大且穩定、譜線背景小、操作方便和經久耐用等銳線光源的基本要求。并且，當采用較大的燈電流時，HCL所發射譜線半寬度變寬和譜線強度增高，此時檢測器的負高壓降低，吸光度讀數穩定。
衡量空心陰極燈性能的主要包括以下幾方面:首先是發射強度，與燈的結構、陰極材料的性質、載氣的性質、壓力等諸多因素有關；其次是燈的穩定性，即空心陰極燈發射強度的穩定性，除了與陰極材料性質、加工狀況、熱效應等因素有關外，燈的供電電源的穩定性將直接影響發射強度的穩定性；后是燈的使用壽命，燈的壽命取決于內充氣體的壓強，陰極金屬的逸散程度、慢漏氣、雜質氣體的存在以及燈殼體積等。燈在使用過程中，載氣被濺射出來的金屬原子所吸附，使載氣壓強逐漸降低，當降低到一定程度之后，燈將不能再使用。空心陰極燈的使用壽命通常為5000mAh，低熔點元素空心陰極燈壽命為3000mAh。
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