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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。回旋加速器的光輝成就不僅在于它創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，回旋加速器的發展經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小（如半徑、磁場），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進行遙控，在中心區域有一個可以活動的狹縫進行相位調節和中心定位。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（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.