下图为一个简单的辉光放电装置。放电池中通入压力约10~1000pa的惰性气体，阴极和阳极之间施加一个电场。当达到足够高的电压时，惰性气体被击穿电离。电离产生的大量电子和正离子在电场作用下分别向相反方向加速，大量电子与气体原子的碰撞过程辐射出特征的辉光在放电池中形成“负辉区”。正离子则撞击阴极（样品）表面通过动能传递使阴极发生溅射。

　　阴极溅射的产物为阴极材料的原子、原子团，也会产生二次离子和二次电子。阴极的溅射过程正是样品原子的产生途径，也是样品可进行深度分析的理论基础。大量的原子、离子和电子参与等离子体中的碰撞过程使辉光放电的机制十分复杂。在辉光放电形成的众多区域中，有两个对样品分析重要的区域，分别是“负辉区”和“阴极暗区”。阴极暗区为一靠近阴极表面的薄层区域，有较高的正离子密度，整个辉光放电的电压降几乎全部加在这个区域。负辉区一般占有辉光放电的大部分容积，几乎是一个无场的区域，电子承担着传导电流的作用。因此溅射产生的二次离子一般会被拉回到电极表面形成沉积而很难通过阴极暗区，而中性的原子则会通过扩散进入负辉区被激发或离子化，当然也可能在频繁的碰撞过程中返回，这是辉光放电的一个明显的特点。辉光放电源具有能产生固体样品中具有代表性组成的原子，同时具有产生这些原子的激发态和离子态的能力。因此辉光放电既可作为光源也可作为离子源被应用到固态样品的含量和深度分析中。辉光放电为质谱分析提供了两个重要的优点：阴极溅射和彭宁电离。阴极溅射提供了一种直接从固体样品中获得大批具有代表性组成的原子的手段；彭宁离子化过程在电离出被溅出原子进入质谱分析中起重要作用。