Kathodestralen worden geproduceerd via een proces waarbij hoge spanning wordt toegepast op elektroden in een vacuümbuis. Concreet begint een kathodestraalbuis (CRT) de productie van kathodestralen met de emissie van elektronen uit een verwarmde kathode. Wanneer de kathode wordt verwarmd, komen er elektronen vrij als gevolg van thermionische emissie. Deze elektronen worden vervolgens versneld naar een anode (of positief geladen elektrode) in de vacuümbuis wanneer er een hoge spanning wordt aangelegd tussen de kathode en de anode.
Om een kathodestraal te maken, wordt doorgaans een kathodestraalbuis (CRT) gebruikt. In de CRT wordt een vacuüm gecreëerd om te voorkomen dat elektronen in botsing komen met gasmoleculen. Een kathode, vaak verwarmd om elektronen uit te zenden, dient als bron van deze elektronen. Wanneer er een hoge spanning wordt aangelegd tussen de kathode en de anode, worden elektronen versneld naar de anode toe. De resulterende elektronenbundel, bekend als kathodestralen, beweegt zich in een rechte lijn van de kathode naar de anode, tenzij beïnvloed door externe elektrische of magnetische velden.
Kathodestraalbuizen (CRT’s) worden vervaardigd via een reeks precieze stappen om de productie van een goed gedefinieerde elektronenbundel te garanderen. Het proces begint met de montage van een glazen vacuümbuis met daarin elektroden, inclusief een kathode en anode. De kathode, doorgaans bedekt met een materiaal dat bij verhitting elektronen uitzendt (thermionische emissie), wordt verwarmd om elektronen vrij te geven. Deze elektronen worden naar de anode versneld door een hoge spanning over de elektroden aan te leggen. In de CRT zorgt het vacuüm ervoor dat de elektronen vrij kunnen bewegen zonder in botsing te komen met gasmoleculen, waardoor de vorming van een gefocusseerde elektronenbundel of kathodestralen mogelijk wordt.
Kathodes produceren elektronen via een fenomeen dat thermionische emissie wordt genoemd. Wanneer een materiaal, zoals wolfraam of andere metalen, wordt verwarmd tot een voldoende hoge temperatuur, krijgen elektronen voldoende thermische energie om van het oppervlak van het materiaal te ontsnappen. Deze emissie van elektronen uit de kathode vindt op natuurlijke wijze plaats wanneer de kathode in een vacuüm wordt verwarmd, zoals bij kathodestraalbuizen (CRT’s) en andere elektronen-emitterende apparaten.
In een kathodestraaloscilloscoop (CRO) worden kathodestralen op dezelfde manier geproduceerd als CRT’s. De kathode van de CRO zendt bij verhitting elektronen uit, en deze elektronen worden door hoge spanning naar een fluorescerend scherm versneld. Door de spanning te variëren kan de positie van de straal worden geregeld, waardoor er patronen op het scherm kunnen ontstaan.