光電倍增管由入射窗、光電陰極、電子光學輸入系統、倍增系統、陽極等部分組成。它的工作原理是建立在光電效應、二次電子發射和電子光學的理論基礎上。它的工作過程是光子入射到光陰極上產生光電子，光電子通過電子光學系統(聚焦系統)，進入倍增系統，電子得到倍增，通過陽極把電子收集起來，形成陽極電流或電壓輸出。光電倍增管典型結構如圖4-3-1所示。
光電倍增管通常分為端窗式（Head-on）和側窗式( Side-on )兩大類型，如圖4-3-2所示。端窗式光電倍增管是通過管殼頂部接受入射光，其對應的陰極結構形式通常為透射式(半透明)光陰極，在石油測井中通常使用這種類型光電倍增管。側窗式光電倍增管是通過管殼側面接受入射光，其對應的陰極結構形式通常是反射式（不透明）光陰極。
在石油測井中比較感興趣的是來自地層的γ射線，最不希望記錄的是套管、水泥環、井內液體物質產生的γ射線。為了減少這些物質產生的γ射線影響。可以做個試驗，看看側窗式光電倍增管在石油測井中（雙探測器核測井儀器—短探測器—側窗式光電倍增管）能否應用。
（1）入射光窗。在光陰極的前面，是壹層透明的玻璃。入射光窗壹般應用硼矽玻璃、透紫玻璃、合成石英玻璃、氟化鎂晶體、藍寶石等做成。每種玻璃有其對光子波長的透光率。所以要根據所測量的光子波長，選擇某種光窗材料的光電倍增管。
由於40K是管子的噪源，入射光窗與管側要同時使用無鉀玻璃，就是為了降低暗計數（本底計數）。幾種光窗玻璃透光率曲線如圖4-3-3所示。
（2）光陰極。光陰極是接收光而放出光電子的光電面。壹般分為半透明光電面（入射光和光電子運動同壹方向）和不透明光電面（入射光的方向與光電子運動方向相反）。光陰極的材料多用低逸出功的堿金屬為主的半導體化合物。近年來靈敏度更高，光譜範圍更寬的Ⅲ—Ⅴ族化合物在使用中得到了廣泛的發展。截至目前，實用的光陰極材料達十種之多。高溫雙堿（Sb—K—Na）的光譜與碘化鈉閃爍體的發光譜幾乎壹致，雖然靈敏度稍低，但它可耐175℃高溫，所以常用於高溫石油勘探。此外，室溫下高溫雙堿暗電流非常小，在光子計數應用方面也較為理想。表4-3-1列出幾種光陰極的特性。
Cs—I、Cs—Te這兩種陰極對陽光都不靈敏，所以叫作“日盲”，是真空紫外區專用的光電陰極材料。如入射光窗采用MgFe或合成石英，其光譜的響應範圍：對Cs—I是115～200nm，對Cs—Te是115～320nm。
（3）電子光學輸入系統。電子光學輸入系統由光陰極和第壹倍增極之間的電極結構以及所加電位組成，它使光電子盡可能多地聚焦在第壹倍增極有效面積上。在快速光電倍增管中，還要求電子光學輸入系統使光電子渡越時間分散最小。
（4）倍增系統。二次電子發射倍增系統由若幹倍增極組成。工作時各電極依次加上遞增電位，二次電子在電場作用下不斷得到倍增。倍增極有環形聚焦型（C、C）、合柵型（B、 G）、直線聚焦型、百葉窗型（V、B）、細網型（F、M）、微通道板型（M、CP）和金屬通道型（M、C）等。每種倍增極由於它的構造、倍增極的級數等不同使得電流增益、時間響應、均勻性、二次電子收集效率特性等不同，因而應根據使用的場合、環境作出相應選擇。
在石油測井中，過去使用的是直線聚焦型、百葉窗型、合柵型倍增極。在碳氧比能譜測井中有時遇到強磁場，影響γ射線能量譜的測量（譜形發生畸變）。建議用細網型（F、M）光電倍增管做試驗。因為細網型結構采用封閉的精密組合網狀倍增極，幾乎是平行電場加速光電子、二次電子，使其具有極強的耐磁性、壹致性和輸出大的脈沖電流的特性。另外，當采用交疊陽極或多陽極輸出情況下，還具有位置探測功能。
對倍增極材料的要求：足夠大的二次發射倍數，熱電子發射小，工作穩定性好。對高溫光電倍增管還要求其倍增極高溫性能好。表4-3-2列出各種倍增極的特性。
（5）陽極是最後收集電子，並給出輸出信號的電極。它與末級倍增極之間應該有最小的極間電容，允許有較大的電流密度。因此，陽極往往做成柵網狀。