本发明涉及一种基于混合式行波加速结构的双能量电子直线加速器，其包括依次连接的：功率源系统，其提供脉冲微波功率，并在预设时刻同时输出一180度相位翻转信号；功率分配器，其具有一个与所述功率源系统连接的输入口以及两个输出口；混合式行波加速结构，其包括分别与所述功率分配器的两个输出口连接的前波加速段和反波加速段；以及微波功率回收系统。本发明通过采用混合式行波加速结构，可大大缩短脉冲微波功率在加速结构中的填充时间；通过控制产生180度相位翻转信号的时间节点，即可实现能量倍增器的储能时间可调，从而实现能量倍增器的输出功率水平可调，进而实现电子束能量的快速可调。