Фотоэлемент, основанный на явлении фотоэффекта, не позволяет измерять слабые световые потоки, так как фототок получается ничтожно малым. Поэтому широко используются фотоэлектронные умножители (ФЭУ), позволяющие без всякой дополнительной аппаратуры усиливать слабые фототоки в огромное число раз ( до десятков миллионов). Внутреннее усилие фототока в ФЭУ основано на явлении вторичной электронной эмиссии. Бомбардировка поверхности металла, полупроводника или диэлектрика электронным пучком, ускоренным полем, вызывает эмиссию вторичных электронов с облучаемой поверхности. Эмиссионные свойства поверхности характеризуются коэффициентом вторичной эмиссии - отношением числа выбитых электронов n₂ к числу падающих первичных электронов n₁ , т.е. s = n₂/n₁. Схематическое устройство многокаскадного фотоумножителя и принцип его действия приведены на рисунке.

  Фотоумножитель состоит из светочувствительного катода и ряда вторичных эмиттеров (динодов), расположенных так, чтобы наибольшее число фотоэлектронов, испускаемых эмиттером, достигало следующего эмиттера. Эмиттеры изготавливаются из материала с большим коэффициентом вторичной эмиссии, а их форма и расположение задаются выбранным способом фокусировки и ускорения электронов. И то и другое обычно выполняется с помощью электростатического поля. Оно создается в результате приложения к каждому эмиттеру последовательно возрастающего положительного потенциала.

  Вторично-эмиссионная умножительная система фотоэлектрических приборов характеризуется коэффициентом усиления k. Коэффициент одного каскада ФЭУ определяется коэффициентом вторичной эмиссии s и тем, какая часть эмитированных электронов a достигает следующего эмиттера. Для современных ФЭУ a = 0,7 - 0,9. Коэффициент усиления на один каскад составляет as. Если ФЭУ содержит n эмиттеров и коэффициент усиления для всех одинаков, то общее усиление (коэффициент усиления) k = ( a s ) ⁿ. Оптимальное значение не превышает 10⁷ - 10⁸.