Идея создания пролетного клистрона была впервые высказана Д. А. Рожанским. Схема устройства и включения пролетного двухрезонаторного клистрона для усиления колебаний показана на рис. 25.1, а. Электронный поток от катода к аноду проходит через две пары сеток, представляющих собой части стенок объемных резонаторов P₁ и Р₂ (иногда вместо сеток делают просто отверстия в стенках резонаторов). Резонатор P₁ служит входным контуром. К нему с помощью коаксиальной линии и витка связи подводятся усиливаемые колебаний с частотой f. Его сетки 1 и 2 образуют модулятор (группирователь), в котором происходит модуляция скорости электронов. Резонатор Р₂ служит выходным контуром. В нем получаются усиленные колебания. Их энергия отбирается с помощью витка связи и коаксиальной линии. Сетки 3 и 4 образуют уловитель. На оба резонатора и на анод подано положительное напряжение U_р, создающее между сеткой 1 и катодом ускоряющее поле, под влиянием которого электроны влетают в модулятор со значительной скоростью v₀.

Если в резонаторе Р₁ происходят колебания, то между сетками 1 и 2 создается переменное электрическое поле, которое действует на электронный поток и изменяет (модулирует) его скорость. В тот полупериод, когда на сетке 2 положительный, а на сетке 1 отрицательный переменный потенциал, поле между сетками будет ускоряющим и электроны, пролетающие через модулятор, получат добавочную скорость Δv. Во время следующего полупериода на сетке 2 потенциал отрицательный, а на сетке 1 — положительный, т. е. поле становится тормозящим для электронов, которые уменьшают свою скорость на Δv. Только те электроны, которые пролетают через модулятор в момент, когда напряжение равно нулю, продолжают движение со скоростью v₀.