弗兰克赫兹管是一个具有双栅极结构的柱面型充Ar四极管。第一栅极G1的作用主要是消除空间电荷对阴极电子发射的影响提高发射效率。第一栅极G1与阴极K之间的电位差由电源UG提供。 电源Uf加热灯丝FF使旁热式阴极K被加热从而产生慢电子。

　　扫描电源Ua加在栅极G2和阴极K之间建立一个加速场使得从阴极发出的电子被加速穿过管内Ar蒸汽朝栅极G2运动。 由于阴极到栅极G2之间的距离比较大在适当的Ar蒸气压下这些电子与Ar原子可以发生多次碰撞。

　　电源UR在栅极G2和极板P之间建立一拒斥场到达G2附近而能量小于eUR的电子不能到达极板。

　　极板电路中的电流强度IP用微电流放大器A来测量其值大小反映了从阴极到达极板的电子数。实验中保持UR和UG不变直接测量极板电流IP随加速电压Ua变化的关系。加速电压Ua刚开始升高时板极电流也随之升高直到加速电压Ua等于或稍大于Ar原子的第一激发电位这时在栅极G2附近电子与Ar原子发生非弹性碰撞把几乎全部的能量交给Ar原子使Ar原子激发。这些损失了能量的电子不能越过UR产生的拒斥场到达板极的电子数减少所以电流开始下降继续增加Ua 电子在与Ar原子碰撞后还能在到达G2前被加速到足够的能量克服拒斥场的阻力而到达板极P这时电流又开始上升。

　　直到G2与K间的电压时二倍于Ar原子的第一激发电位时 电子在G2附近又会因第二次非弹性碰撞而失去能量并且受到拒斥场的阻挡而不能到达板极 电流IP再度下降。

　　同样的道理随着加速电压Ua的增加 电子会在栅极G2附近与Ar原子发生第三次、第四次、??非弹性碰撞 因而板极电流IP就会相应下跌形成具有规则起伏的IPUa曲线。