1929年E.O.劳伦斯首先提出了回旋加速器的概念。1931年，劳伦斯与M.S.利文斯顿（M.S.Livingston）制造了一台4.5英寸回旋加速器，可以将质子能量加速到80千电子伏。1932年，他们将回旋加速器尺寸提高到11英寸，将质子能量加速到1.25兆电子伏。因受制于高频技术，其后20年利用回旋加速器只能将质子能量加速到22兆电子伏。其后慢慢被等时性回旋加速器和同步回旋加速器所替代，质子能量达到几十至几百兆电子伏。当前仍有许多小型回旋加速器应用于医疗领域。

如图所示，两个D形盒（Dee）电极置于磁场中，两个D形盒间隙加高频电压，带电粒子从D形盒中心粒子源发出，受到高频电压加速，进入D形盒中只受磁场力作用做圆周运动。转过半圈之后，高频电压刚好变化半个周期，粒子进入电极间隙再次被加速。粒子能量逐渐升高，旋转半径随之增大，直至从D形盒中引出，粒子可以经过多次加速，在D形盒中做螺旋形轨道运动，达到预期能量将粒子从D形盒引出。

回旋加速器原理图

非相对论条件下，粒子在恒定磁场中做匀速圆周运动，所以其回旋频率为：

式中为磁场强度；为粒子静止质量；为粒子电荷。此时粒子回旋频率是恒定的，只要保持高频电压的频率不变，带电粒子可以一直被加速。

回旋加速器的加速器粒子能量受到粒子速度增大的相对论效应限制。粒子速度加速到相对论速度，粒子质量增大，回旋频率减小，与电压频率不匹配，滑入到减速相位，限制了能量的增加。

回旋加速器具有装置简便、易于制造等优点，成本不高，每核子加速能量不超过20兆电子伏的低能范围，回旋加速器具有很强竞争力，尤其是在医学领域。回旋加速器可以用于生产医用同位素，例如1995年中国原子能科学院和比利时抗癌医疗设备研发制造商（IBA）共同研制的cyc-30回旋加速器。低能回旋加速器在低能核物理基础和应用研究、生物医学领域仍有广泛应用，例如为PET/CT提供正电子显像剂的小型回旋加速器，2006年中国首台西门子eclipse HP/RD医用回旋加速器投入临床运营。强流回旋加速器对核医学起到极大推动作用，例如癌症和脑疾病的诊断。等时性回旋加速器和同步回旋加速器可以产生更高能量的带电粒子。