Để cho máy gia tốc tuyến tính RF hoạt động thì sóng vô tuyến điện từ cần phải được cung cấp cho các hốc tăng tốc của ống dẫn sóng nhằm thiết lập và duy trì điện từ trường tại đây. Vì vậy, cần có một hệ thống thực hiện chức năng tạo ra một sóng RF và khuếch đại chúng đến một mức năng lượng cần thiết rồi cung cấp cho các hốc tăng tốc nói trên – đó là nguồn phát và khuếch đại sóng RF.
Việc chọn lựa nguồn năng lượng sóng RF tùy thuộc vào nhiều yếu tố như tần số, năng lượng đỉnh và năng lượng trung bình của sóng điện từ, hiệu suất, độ tin cậy, giá thành,… của máy gia tốc. Nếu máy gia tốc chỉ cần một nguồn phát sóng RF với công suất nhỏ thì dùng magnetron. Khi đó, sóng RF do magnetron tạo ra sẽ trực tiếp đi vào ống dẫn sóng mà không cần phải khuếch đại. Nếu máy gia tốc cần hoạt động với sóng RF công suất lớn thì người ta dùng một nguồn phát sóng RF kết hợp với klystron. Klystron được dùng để khuếch đại sóng RF dạng xung có chiều dài hơn 1μs hoặc sóng liên tục với tần số khoảng 300MHz. Thật vậy, sóng RF được sinh ra từ nguồn phát chỉ có công suất khoảng 100W nhưng sau khi được klystron khuếch đại thì công suất của sóng RF có thể đạt đến 7,5MW. Như vậy sóng RF sau khi ra khỏi klystron có năng lượng lớn hơn ban đầu rất nhiều.
Hình 2.10 Hình dạng và cấu tạo bên trong của klystron 1: súng phóng điện tử có nhiệm vụ tạo ra chùm electron
2: khoang tiếp nhận chùm electron phóng vào và có nhiệm vụ điều chỉnh vận tốc của các electron để cho chúng bay theo từng bó
3: khoang xảy ra sự kích thích của những bó hạt electron để tạo ra sóng RF 4: sóng RF thoát khỏi klystron và đi vào ống dẫn sóng
Hình 2.10 mô tả hình dạng, cấu tạo và nguyên lí hoạt động của klystron. Khi klystron hoạt động, chùm electron được bắn ra từ súng phóng điện tử 1 sẽ tăng tốc nhờ vào thế vô hướng một chiều và chuyển động dọc theo chiều dài klystron bay đến khoang 2. Trong quá trình này, từ trường có tác dụng đảm bảo chùm hạt không bị loe rộng. Một nguồn phát sóng RF năng lượng thấp đưa sóng vào khoang 2. Khi chùm electron bay vào khoang 2, chúng có thể được tăng tốc hoặc làm giảm tốc bởi thành phần điện trường hướng dọc của sóng RF. Điều kiện để electron tăng hoặc giảm tốc phụ thuộc vào pha của sóng RF vào thời điểm các electron vừa bay vào khoang 2. Kết quả là các electron sẽ bay theo từng nhóm mà ta gọi là bó electron. Tại khoang 3, những bó electron bị kích thích sẽ tăng cường sóng RF. Như vậy, sóng RF tại khoang 3 có năng lượng lớn hơn rất nhiều so với năng lượng sóng RF ban đầu được đưa vào khoang 2. Cuối cùng, sóng RF sẽ thoát khỏi khoang 3 và đi vào ống dẫn sóng để thực hiện nhiệm vụ tăng tốc cho electron. Đối với các bó electron sau khi tạo ra sóng RF năng lượng cao tại khoang 3, chúng tiếp tục bay đến đập vào bia hấp thụ (collector). Quá trình này gây tỏa nhiệt mạnh nên có một hệ thống làm mát liên tục tải nhiệt khỏi bia hấp thụ.