Katot ışınlarının üretimi fotoelektrik etkiyle açıklanabilir. Işık metal bir yüzeye çarptığında yüzeyden elektronların yayılmasına neden olabilir. Bunun nedeni, ışık kuantumunun (fotonların) enerjisinin elektronlara aktarılması ve onlara metal atomlarının çekici kuvvetinin üstesinden gelip yüzeyden kaçmaları için yeterli enerjinin sağlanmasıdır.
Katot ışın tüpünde katot yüksek sıcaklığa ısıtılır. Bu, elektronların termiyonik emisyon yoluyla katot yüzeyinden yayılmasına neden olur. Termiyonik emisyon, elektronların sıcak bir yüzeyden emisyonudur. Katottan yayılan elektronlar, elektrotlar arasına uygulanan yüksek voltaj sayesinde anoda doğru hızlandırılır.
Katot ışınları, manyetik alan kullanılarak bir ışına odaklanabilir. Manyetik alan, katot ışınlarındaki elektronların dairesel bir yolda hareket etmesine neden olur. Çemberin yarıçapı, manyetik alanın gücü ve elektronların hızı ile belirlenir. Manyetik alanın gücü ayarlanarak katot ışınları bir noktaya odaklanabilir.
Katot ışınları televizyon setleri, elektron mikroskopları ve X-ışını makineleri dahil olmak üzere çeşitli uygulamalarda kullanılır. Televizyonlarda ekrandaki görüntüyü oluşturmak için katot ışınlarından yararlanılır. Elektron mikroskoplarında nesneleri büyütmek için katot ışınları kullanılır. X-ışını makinelerinde, X-ışınlarını üretmek için katot ışınları kullanılır.