Nguyên lý hoạt động: Nguồn ion tạo ra chùm proton được gia tốc tới một
năng lượng thấp bằng một nguồn điện áp cao bổ trợ. Chùm ion này đi qua một vùng chứa một chất khí ở áp suất thấp, ở đây một số proton được chuyển thành ion âm bằng cách nhận thêm electron. Chùm tia đi vào vùng năng lượng thấp của máy gia tốc, các ion âm bị hút bởi điện tích dương ở hiệu điện thế lớn (TV) do đó chúng được gia tốc. Ở điểm giữa buồng gia tốc, các ion âm đi vào một thiết bị gọi là “stripper” (bộ tước) ở đó chúng được “tước bỏ” 2 hoặc nhiều electron và biến thành các ion dương. Khi các ion dương này đi ra khỏi bộ tước và trôi về tầng gia tốc thứ
hai của buồng gia tốc (vùng năng lượng cao) thì được cao thế dương ở điểm giữa tác động lực đẩy vào và do đó được gia tốc một lần nữa.
Hình 2.7: Sơ đồ cấu tạo của máy gia tốc Pelletron 5SDH-2.
Cấu trúc gia tốc kép này cho phép tăng gấp đôi năng lượng của các ion đơn lẻ mà đã được gia tốc ở tầng gia tốc thứ nhất, với cùng một điện thế đỉnh (TV), các ion sẽ mang điện tích +n và năng lượng cuối cùng (n+1)*e*V, với e là điện tích electron, V là điện thế đỉnh.
Khi các ion này đi ra khỏi ống gia tốc, chúng đi qua thấu kính tứ cực từ, thấu kính này các tác dụng hội tụ chùm tia có đường kính nhỏ (1cm hoặc nhỏ hơn). Sau đó các ion này đi vào bộ nam châm phân tích năng lượng hay switching. Bộ phận này điều khiển tách chúng thành các chùm tia có quĩ đạo khác nhau sử dụng trong thí nghiệm.