L’ampolla è formata da un corto tubo cilindrico sovrastato da un grosso bulbo in cui vi è un alto grado di vuoto. Nel cilindro, alla base dell’ampolla, vi è il catodo (negativo), che ha la forma di un dischetto ricurvo; nell’ampolla vi sono due elettrodi positivi, posizionati in modo che uno dei due (anticatodo) si trovi lungo il percorso rettilineo dei raggi catodici e sia inclinato rispetto a tale direzione. Applicando una differenza di potenziale elevata fra l’elettrodo negativo e gli elettrodi positivi, gli ioni del gas residuo fortemente accelerati colpiscono il catodo che emette elettroni (i raggi catodici); questi, muovendosi in linea retta, raggiungono l’anticatodo subendo un brusco arresto e cedono la loro energia cinetica agli atomi del metallo. Questi atomi, a loro volta, diventano sorgenti di una radiazione di piccola lunghezza d’onda (oppure “di alta frequenza”): la radiazione Röntgen, detta anche radiazione X.