Kathodenstrahlen werden durch einen Prozess erzeugt, bei dem Hochspannung an Elektroden in einer Vakuumröhre angelegt wird. Konkret beginnt eine Kathodenstrahlröhre (CRT) mit der Erzeugung von Kathodenstrahlen durch die Emission von Elektronen aus einer erhitzten Kathode. Wenn die Kathode erhitzt wird, gibt sie aufgrund der thermionischen Emission Elektronen ab. Diese Elektronen werden dann in Richtung einer Anode (oder positiv geladenen Elektrode) innerhalb der Vakuumröhre beschleunigt, wenn zwischen Kathode und Anode eine Hochspannung angelegt wird.
Um einen Kathodenstrahl zu erzeugen, wird typischerweise eine Kathodenstrahlröhre (CRT) verwendet. Im Inneren der CRT wird ein Vakuum erzeugt, um zu verhindern, dass Elektronen mit Gasmolekülen kollidieren. Als Quelle dieser Elektronen dient eine Kathode, die oft erhitzt wird, um Elektronen auszusenden. Wenn zwischen Kathode und Anode eine Hochspannung angelegt wird, werden Elektronen in Richtung Anode beschleunigt. Der resultierende Elektronenstrahl, auch Kathodenstrahlen genannt, wandert geradlinig von der Kathode zur Anode, sofern er nicht durch externe elektrische oder magnetische Felder beeinflusst wird.
Kathodenstrahlröhren (CRTs) werden in einer Reihe präziser Schritte hergestellt, um die Erzeugung eines wohldefinierten Elektronenstrahls sicherzustellen. Der Prozess beginnt mit dem Zusammenbau einer Glasvakuumröhre, die Elektroden enthält, einschließlich einer Kathode und einer Anode. Die Kathode, die typischerweise mit einem Material beschichtet ist, das beim Erhitzen Elektronen emittiert (thermionische Emission), wird erhitzt, um Elektronen freizusetzen. Durch Anlegen einer Hochspannung an die Elektroden werden diese Elektronen zur Anode beschleunigt. Im Inneren der Kathodenstrahlröhre sorgt das Vakuum dafür, dass sich die Elektronen frei bewegen können, ohne mit Gasmolekülen zu kollidieren, und ermöglicht so die Bildung eines fokussierten Elektronenstrahls oder Kathodenstrahlen.
Kathoden erzeugen Elektronen durch ein Phänomen, das als thermionische Emission bezeichnet wird. Wenn ein Material wie Wolfram oder andere Metalle auf eine ausreichend hohe Temperatur erhitzt wird, gewinnen Elektronen genügend Wärmeenergie, um von der Oberfläche des Materials zu entweichen. Diese Emission von Elektronen aus der Kathode erfolgt auf natürliche Weise, wenn die Kathode im Vakuum erhitzt wird, wie in Kathodenstrahlröhren (CRTs) und anderen elektronenemittierenden Geräten.
In einem Kathodenstrahloszilloskop (CRO) werden Kathodenstrahlen ähnlich wie bei CRTs erzeugt. Die Kathode des CRO emittiert beim Erhitzen Elektronen, die durch Hochspannung in Richtung eines Leuchtschirms beschleunigt werden. Durch Variation der Spannung kann die Position des Strahls gesteuert werden, sodass Muster auf dem Bildschirm erzeugt werden können.