空心阴极灯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。
因为灯内填充气体压力低，压力变宽很小；阴极温度较低，热变宽也很小；同时，因为气体密度低，自吸变宽也不存在。HCL基本满足发射谱线的半宽度窄、谱线强度大且稳定、谱线背景小、操作方便和经久耐用等锐线光源的基本要求。并且，当采用较大的灯电流时，HCL所发射谱线半宽度变宽和谱线强度增高，此时检测器的负高压降低，吸光度读数稳定。
衡量空心阴极灯性能的主要包括以下几方面:首先是发射强度，与灯的结构、阴极材料的性质、载气的性质、压力等诸多因素有关；其次是灯的稳定性，即空心阴极灯发射强度的稳定性，除了与阴极材料性质、加工状况、热效应等因素有关外，灯的供电电源的稳定性将直接影响发射强度的稳定性；后是灯的使用寿命，灯的寿命取决于内充气体的压强，阴极金属的逸散程度、慢漏气、杂质气体的存在以及灯壳体积等。灯在使用过程中，载气被溅射出来的金属原子所吸附，使载气压强逐渐降低，当降低到一定程度之后，灯将不能再使用。空心阴极灯的使用寿命通常为5000mAh，低熔点元素空心阴极灯寿命为3000mAh。
