หลอด photomultiplier ใช้หลักการทางวิทยาศาสตร์สองหลักการเพื่อขยายผลของโฟตอนเหตุการณ์เดียว พวกเขาทำในการกำหนดค่าที่แตกต่างกันมากของวัสดุที่ไวต่อแสงและมุมแสงที่ตกกระทบเพื่อให้ได้รับสูงและการตอบสนองเสียงรบกวนต่ำในช่วงการทำงานของพวกเขาของรังสีอัลตราไวโอเลตมองเห็นและความถี่ใกล้อินฟราเรด เดิมทีพัฒนาเป็นกล้องโทรทัศน์ที่ตอบสนองได้ดีกว่าตอนนี้หลอด photomultiplier พบได้ในหลายแอพ
ด้วยการคิดค้นเซมิคอนดักเตอร์หลอดสุญญากาศได้ถูกกำจัดส่วนใหญ่จากอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ยกเว้นหลอด photomultiplier ในอุปกรณ์นี้โฟตอนเดียวผ่านหน้าต่างหรือแผ่นหน้าและส่งผลกระทบต่อโฟโตแคโทดซึ่งเป็นอิเล็กโทรดที่ทำจากวัสดุอิเล็กทริค วัสดุนี้ดูดซับพลังงานของโฟตอนแสงที่ความถี่เฉพาะและปล่อยอิเล็กตรอนในผลลัพธ์ที่เรียกว่าโฟโตอิเล็กทริก
ผลกระทบของอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาเหล่านี้จะถูกขยายโดยการใช้หลักการของการปล่อยรอง อิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากโฟโตแคโทดจะถูกโฟกัสไปที่แผ่นตัวคูณอิเล็กตรอนชุดแรกที่เรียกว่าไดโอด ที่แต่ละไดโอดอิเล็กตรอนที่เข้ามาจะทำให้อิเล็กตรอนเพิ่มเติมถูกปล่อยออกมา เอฟเฟกต์น้ำตกเกิดขึ้นและโฟตอนของเหตุการณ์ได้รับการขยายหรือตรวจจับ ดังนั้นพื้นฐานสำหรับชื่อ "photomultiplier" สัญญาณขนาดเล็กมากของโฟตอนเดียวจะเพิ่มความแข็งแกร่งจนถึงจุดที่สามารถตรวจจับได้ง่ายโดยการไหลของกระแสจากหลอดโฟโตมิเตอร์
การตอบสนองทางสเปกตรัมของหลอด photomultiplier นั้นมีสาเหตุหลักมาจากองค์ประกอบการออกแบบสองประการ ชนิดของหน้าต่างกำหนดโฟตอนที่สามารถส่งผ่านเข้าสู่อุปกรณ์ วัสดุ photocathode กำหนดการตอบสนองต่อโฟตอน รูปแบบอื่น ๆ ของการออกแบบ ได้แก่ หน้าต่างที่ยึดปลายท่อหรือหน้าต่างด้านข้างซึ่งกระแสโฟตอนถูกสะท้อนออกจากโฟโตไดโอด เนื่องจากการเพิ่มหรือขยายจะถูก จำกัด โดยกระบวนการปล่อยพลังงานทุติยภูมิและไม่เพิ่มขึ้นเมื่อแรงดันไฟฟ้าเร่งเพิ่มขึ้นจึงมีการพัฒนาโฟโตมิเตอร์หลายขั้นตอน
การตอบสนองของโฟโตแคโทดขึ้นอยู่กับความถี่โฟตอนของเหตุการณ์ไม่ใช่จำนวนโฟตอนที่ได้รับ หากจำนวนโฟตอนเพิ่มขึ้นกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจะเพิ่มขึ้น แต่ความถี่ของอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมานั้นคงที่สำหรับการรวมโฟโตแคธาดแบบหน้าต่างใด ๆ ผลที่อัลเบิร์ตไอน์สไตน์ใช้เป็นหลักฐานของลักษณะอนุภาคของแสง
อัตราขยายของหลอดโฟโตมิเตอร์มีค่าสูงถึง 100 ล้านครั้ง คุณสมบัตินี้พร้อมกับสัญญาณรบกวนต่ำหรือสัญญาณที่ไม่รับประกันทำให้หลอดสูญญากาศเหล่านี้ขาดไม่ได้ในการตรวจจับโฟตอนจำนวนน้อยมาก ความสามารถในการตรวจจับนี้มีประโยชน์ในด้านดาราศาสตร์วิสัยทัศน์ตอนกลางคืนการถ่ายภาพทางการแพทย์และการใช้งานอื่น ๆ มีการใช้งานเซมิคอนดักเตอร์ในรุ่น แต่ photomultiplier หลอดสุญญากาศนั้นเหมาะสำหรับการตรวจจับโฟตอนแสงที่ไม่ได้ฉายรังสีหมายความว่ารังสีของแสงไม่ได้เดินทางผ่านเส้นทางคู่ขนานกัน
Photomultipliers ได้รับการพัฒนาเป็นกล้องโทรทัศน์ซึ่งช่วยให้การออกอากาศทางโทรทัศน์ก้าวไปไกลกว่าช็อตในสตูดิโอที่มีแสงจ้าเพื่อการตั้งค่าที่เป็นธรรมชาติมากขึ้น ในขณะที่ถูกแทนที่ด้วยอุปกรณ์ที่มีการชาร์จ (CCDs) ในแอพพลิเคชั่นนั้นหลอด photomultiplier ยังคงมีการระบุอย่างกว้างขวาง การพัฒนางานในหลอด photomultiplier ดำเนินการโดยอาร์ซีเอในสถานที่ในสหรัฐอเมริกาและอดีตสหภาพโซเวียตในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 20 ในช่วงทศวรรษที่เปิดตัวของศตวรรษที่ 21 หลอด photomultiplier ส่วนใหญ่ของโลกผลิตโดย บริษัท Hamamatsu Photonics บริษัท ญี่ปุ่น
