两个相互平行的电极之间充满空气，虚线所包括范围，称为电离室灵敏体积。当电离辐射，如X或γ射线摄入这个灵敏体积内，与其中的空气介质相互作用，产生次级电子。这些电子在其运动轨迹上使空气中的原子电离，产生一系列正负离子对。在灵敏体积的电场作用下，电子、正离子分别向两级漂移，使相应极板的感应电荷量发生变化，形成电离电流。在电子平衡条件下测到的电离电荷，理论上应为次级电子所产生的全部电离电荷。

根据以上原理可以制成自由空气电离室

主要由两个相互平行的平板电极构成，极间相互绝缘并连接到电源电压的正负端，电极间充有空气。构成电离室的一个极板与电源高压的正端或负端相连，另一极板与静电计输入端相连，称为收集级。

电离室的灵敏体积是指通过收集级边缘的电力线所包围的两个电极间的区域。在灵敏体积外的电极称为保护环，其作用是使灵敏体积边缘外的电场保持均匀，并同时使绝缘子的漏电流不经过测量回路，减少对信号的影响。

在实际应用中，电离室的输出信号电流在10 A数量级，为弱电流，必须经过弱电流放大器（静电计）对其进行放大，此类静电计通常称为剂量测量仪。如下图所示，静电计实际上就是一个负反馈运算放大器。以三种方式测量电离室的输出信号：

1、测量输出电荷量

2、测量输出电流

3、测量输出回路中形成的电压信号

自由空气电离室一般为国家一级或二级剂量标准实验室所配置，作为标准，在现场使用的电离室型剂量仪进行校准，并不适合于在现场如医院使用。