이온이 높은 에너지로 고체 표면에 충돌하면 표면에서 전자가 방출되는데, 이것을 2차 전자 방출이라 합니다. 음극에 입사하는 이온의 수와 방출되는 2차 전자의 수와의 비를 2차 전자 방출 계수라고 정의합니다. 2차 전자는 전극 표면에서 양이온, 여기된 원자, 전자, 열에너지, 전기장, 그리고 광자 등과의 반응을 통해서 방출될 수 있습니다. 이 중에서 양이온에 대한 2차전자방출 메커니즘은 1928년 페닝(Penning)이 제안하였습니다. 페닝의 이론은 음전극에서의 전자가 가지는 에너지 준위와 터널링 효과(tunneling effect), 그리고 오제 방출(Auger emission)을 이용하여 설명하였습니다. 보다 자세한 설명은 다음 서적을 참고하시기 바랍니다. Michael A. Liebermann, Principles of Plasma Discharge and Materials Processing, Wiley-Interscience; 2 edition, 2005.
2차전자방출계수는 전극의 표면의 조건, 형태, 순도, 그리고 오염도에 민감하게 의존합니다. Raiser에 의하면 이오네 의한 2차전자방출계수에 대한 실험식은 근사적으로 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.
2차전자방출계수 ~ 0.016(기체의 이온화 에너지 - 2*전극의 일함수)

2차전자방출계수는 이온의 에너지에 따라 달라지며 이온의 에너지가 1keV 이하인 경우 다음과 같습니다.