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早期的加速器只能使帶電粒子在高壓電場中加速一次，因而粒子所能達到的能量受到高壓技術的限制

回旋加速器的理論

1930年，Earnest O. Lawrence提出了回旋加速器的理論，他設想用磁場使帶電粒子沿圓弧形軌道旋轉，多次反復地通過高頻加速電場，直至達到高能量。1931年，他和他的學生利文斯頓（M. S. Livingston）一起，研制了世界上第一臺回旋加速器，這臺加速器的磁極直徑只有10cm，加速電壓為2kV，可加速氘離子達到80keV的能量，向人們證實了他們所提出的回旋加速器原理。隨后，經(jīng)M. Stanley Livingston資助，建造了一臺25cm直徑的較大回旋加速器，其被加速粒子的能量可達到1MeV?；匦铀倨鞯墓廨x成就不僅在于它創(chuàng)造了當時人工加速帶電粒子的能量記錄，更重要的是它所展示的回旋共振加速方式奠定了人們研發(fā)各種高能粒子加速器的基礎。

二個重要的階段

30年代以來，回旋加速器的發(fā)展經(jīng)歷了二個重要的階段。前20年，人們按照勞倫斯的原理建造了一批所謂經(jīng)典回旋加速器，其中最大的可生產44MeV的α粒子或22MeV的質子。但由于相對論效應所引起的矛盾和限制，經(jīng)典回旋加速器的能量難以超過每核子20多MeV的能量范圍。后來，人們基于1938年托馬斯（L. H. Thomas）提出的建議，發(fā)展了新型的回旋加速器。因此，在1945年研制的同步回旋加速器通過改變加速電壓的頻率，解決了相對論的影響。利用該加速器可使被加速粒子的能量達到700MeV。使用可變的頻率，回旋加速器不需要長時間使用高電壓，幾個周期后也同樣可獲得最大的能量。在同步回旋加速器中最典型的加速電壓是10kV，并且，可通過改變加速室的大?。ㄈ绨霃健⒋艌觯?，限制粒子的最大能量。

等時性回旋加速器

60年代后，在世界范圍掀起了研發(fā)等時性回旋加速器的高潮。等時性回旋加速器（Isochronous cyclotron）是由3個扇極組合（compact-pole 3 sector）的回旋加速器，能量可變，以第一和第三偕波模式對正離子進行加速。在第一偕波中，質子被加速到6 MeV~ 30 MeV, 氘核在12,5 MeV~25 MeV, α粒子在25 MeV~50 MeV, He3 +2離子在18 MeV ~62 MeV 。磁場的變化通過9對圓形的調節(jié)線圈來完成，磁場的梯度與半徑的比率為(4,5 - 3,5)×10-3 T/cm。磁場方位角通過六對偕波線圈進行校正。RF系統(tǒng)由180°的兩個Dee組成，其操作電壓達到80kV，RF振蕩器是一種典型的6級振蕩器，其頻率范圍在8,5 - 19 MHz 。通常典型的離子源呈放射狀，并且可以通過控制系統(tǒng)進行遙控，在中心區(qū)域有一個可以活動的狹縫進行相位調節(jié)和中心定位。使用非均勻電場的靜電偏轉儀（electrostatic deflector）和磁場屏蔽通道進行束流提取，在偏轉儀上的最大電勢可達到70 kV 。對30 MeV強度為15 mA質子在徑向和軸向的發(fā)射度（Emittance）為16p mm.mrad 。能量擴散為0.6%，亮度高，在靶內的束流可達到幾百mA。用不同的探針進行束流強度的測量，這些探針有普通TV的可視性探針；薄層掃描探針和非截斷式（non-interceptive）束流診斷裝置。系統(tǒng)對束流的敏感性為1mA ，飛行時間精確到0,2 ns 。束流可以傳送到六個靶位，可完成100%的傳送。該回旋加速器最早在1972年由INP建造，它可使質子加速達到1 MeV，束流強度為幾百mA，主要用于回旋加速器系統(tǒng)（離子源、磁場等）的研究。

70年代以來，為了適應重離子物理研究的需要，成功地研制出了能加速周期表上全部元素的全離子、可變能量的等時性回旋加速器，使每臺加速器的使用效益大大提高。此外，還發(fā)展了超導磁體的等時性回旋加速器。超導技術的應用對減小加速器的尺寸、擴展能量范圍和降低運行費用等方面為加速器的發(fā)展開辟新的領域。同步加速器可以產生筆尖型（pencil-thin ）的細小束流，其離子的能量可以達到天然輻射能的100，000倍。通過設計邊緣磁場來改變每級加速管的離子軌道半徑。最大的質子同步加速器是Main Ring（500GeV）和Tevatron（1TeV）在Fermi National Accelerator Laboratory Chicago ；較高級質子同步加速器的是在Geneva的 European Laboratory for Particle Physics (CERN)安裝應用的SPS(Super Proton Synchrotron), 450 GeV。

勞倫斯(E.O.Lawrence,1901-1958)因此獲得1939年諾貝爾物理學獎.