Le principe du synchrocyclotron mis au point par Ernest O. Lawrence en 1930 à l'université de Berkeley (Etats-Unis) est basé sur celui du cyclotron, mais il permet par un système de variation de la fréquence d'accélération de s'affranchir du problème de relativité et ainsi d'atteindre l'énergie de 200 MeV. Le synchrocyclotron est composé d'un système d'injection de particules, d'un électro-aimant, d'un système d'accélération de protons puis il est suivi d'une « ligne faisceau » permettant d'acheminer le faisceau vers les salles de traitement.
Aujourd'hui, les accélérateurs modernes pour la protonthérapie sont des cyclotrons isochrones ou, dans certains cas, des synchrotrons.