一台电子能谱仪的基本组成由所研究的试样、一个初级激发源和电子能量分析器组成。它们安装在超高真空(UHV)下工作。实际上，经常再备有一个UHV室安装各种试样制备装置，和可能的辅助分析装置。此外还有数据采集与处理系统。
(1)真空系统。电子能谱分析技术本身的表面灵敏度要求必须维持超高真空。现代电子能谱仪采用离子泵获得超高真空条件。所有超高真空系统都需要时常烘烤，以去除真空室内壁上的吸附层。
(2)试样台。试样被固定在试样台上。试样台要求平稳，工作时无颤动。对AES在常规分析时，试样应导电和接地。
(3)初级激发源。XPS和AES的初级激发源不同。
XPS的X射线源。X射线是用高能电子轰击阳极靶材激发出来的。由灯丝发出的热电子被加速到一定能量去轰击阳极靶材，引起其原子内壳层电离。当较外层电子以辐射跃迁的方式填充内壳层空位时，释放出具有特征能量的X射线。
AES的电子枪。电子枪的关键部件是电子源及用于电子束聚焦、整形和扫描的透镜组。电子源可以是热电子发射体或冷场发射体；透镜组可以是静电型的，或用于高分辨率的电磁型的。21世纪初期，在AES能谱仪中，电磁透镜和冷场发射电子源的结合，可提供小于10nm的电子束斑，所以空间分辨率很高。
(4)电子能谱分析器。在XPS和AES中通常使用的能量分析器有两种：筒镜形能量分析器(CMA)和半球形能量分析器(HSA)。当不追求最高分辨率，且只是收集小区域(直径小于1mm)内的谱时，采用CMA；不需要分析化学态时，则在AES中用CMA。通常CMA能达到的能量分辨率大约为0.4%～0.6%。HSA的分辨率通常要高一个数量级。
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