这三种类型的粒子加速器是有史以来最昂贵和技术最先进的科学工具之一。但是许多人，包括工程师，都对每个人能做什么感到困惑。
直线加速器（也称为直线加速器）、回旋加速器和同步加速器是有史以来最复杂、最昂贵的工具之一。一般来说，它们的目的是将带电粒子（通常是电子、质子和同位素）以及亚原子粒子加速到令人难以置信的高速度。这些粒子用于治疗患者体内的肿瘤或癌症，撞击材料样品（或以相似速度向相反方向行进的光束，以获得更高的能量反应），以根据撞击后粒子的反应和散射确定材料的组成，以产生将用于医疗或工业目的的同位素， 并产生用于材料科学和生物学的强X射线和其他形式的光。加速器还用于提高粒子的速度，以便它们可以注入其他加速器并达到更高的速度和动能。
直线加速器
顾名思义，直线加速器沿直线加速粒子。粒子通常是电子、质子和离子，在管状真空室中传播。管道内的电极是间隔的，因此当粒子在电极之间的间隙中时，可以定时驱动射频为它们通电，从而在它们从一个间隙传播到另一个间隙时加速它们。对于高功率直线加速器，每个电极都有自己的射频源。
（图片由《Symmetry》杂志提供）
第一台直线加速器建于1928年，它们可以小到阴极射线管（直线加速器的一种形式），也可以大到斯坦福直线加速器（SLAC），它曾经测量过2英里长，可以将电子加速到具有500亿eV动能的速度。（根据定义，eV 等于电子在一伏特的电势差上移动的电荷获得或损失的能量。因此，1 eV 大约等于 1.6022 x 10-19 焦耳，或 1.6022 x10-12 尔格。
直线加速器可以将重离子加速到环形加速器（回旋加速器和同步加速器）无法实现的速度，因为它们受到保持离子在其弯曲路径上所需的磁场强度的限制。直线加速器也更适合将电子发送到相对论速度，因为电子在沿着弧形传播时会通过辐射损失能量（和速度）。但是直线加速器需要大量的空间，这使得它们的建造成本很高。
斯坦福大学（SLAC）的直线加速器在1962年首次参加比赛时长2英里，是有史以来最长的直线加速器。它被用于探索亚原子粒子，研究人员用它来发现魅力夸克（1976年），质子和中子内部的夸克结构（1990年）和tau轻子（1995年），这三项发现导致了三项诺贝尔物理学奖。
回旋加速器
与直线加速器不同，回旋加速器沿向外的螺旋路径加速粒子，并通过垂直于螺旋路径的静态电磁场保持在该路径中。带电粒子被注入回旋加速器的中心，进入两个空心D形金属电极（称为“dees”）之间的真空室。几千伏的交变射频电压被施加到一个 dee，然后施加到另一个 dee。射频电压的时序在两端之间切换，使粒子加速，每转一圈就会增加其圆形路径的直径，从而将其变成螺旋形。
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当颗粒到达镰刀的边缘时，它们会通过一个小缝隙离开它们并被引导到目标。击中目标会产生核反应，该反应产生的粒子可能会被引导到各种仪器中进行分析。
在1934年开始建造第一批回旋加速器之后的几十年里，回旋加速器是核物理中有用的高能粒子束的最佳来源。它们是由欧内斯特·劳伦斯（Ernest Lawrence）发明的，他因其工作而获得了诺贝尔物理学奖。它们产生的光束非常适合生产用于核医学的同位素。全世界有 1,200 个回旋加速器用于制造用于医疗目的的放射性核素。回旋加速器束还用于穿透患者的身体，以杀死肿瘤，同时将对人的伤害降至最低。光束也用于PET成像。
有史以来最大的回旋加速器是 184 英寸。直径版本于1946年在加州大学伯克利分校参加比赛;它将质子加速到 730 MeV。
工人和设计师站在加拿大不列颠哥伦比亚大学未完成的TRIUMF回旋加速器（Tri-University Meson Facility）上。它的直径为 56 英尺，使用多个磁铁将离子颗粒固定在其螺旋路径中。它可以产生 500 MeV 的质子。它还可以在 0.3 毫秒内将质子加速到光速的四分之三。
同步加速器
同步加速器与回旋加速器一样，是循环加速器，将粒子送入闭环路径，每转一圈都会增加它们的速度。但与回旋加速器不同的是，同步加速器的回路不是螺旋形的。事实上，由于同步加速器必须完成的各种任务——聚焦、弯曲和加速粒子进入真空管内的光束——可以通过不同的组件在不同的时间完成，因此路径可以是圆形、椭圆形或带有圆角的多边形。
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加速光束的任务由环路周围的射频腔来处理。射频发电机向特殊成型和成型的腔体提供电磁场，将 ERF 功率转换为电磁波，电磁波产生共振并在腔内积聚。当电荷粒子进入腔体时，产生的电磁场的力和方向使它们沿回路加速。
同步加速器的一个缺点是它们不能将其他粒子的质子从静止状态加速;它们必须已经在移动，这是由另一个加速器处理的任务。例如，大型强子对撞机（LHC）是世界上最大的同步加速器，周长为17英里，它接收已经达到450 GeV的粒子，在20分钟内将它们发送到17英里的路径1400万次，然后研究人员拥有6.5 TeV的光束。
由于粒子总是绕着加速器旋转，研究人员可以反复发送光束，产生大量的碰撞，这些事件可能会揭示宇宙的组成部分。在实验中，大型强子对撞机达到了每秒4亿次碰撞，这创造了大量的数据来研究。虽然大型强子对撞机主要使用质子束，但它也可以加速铅等重原子核。其他同步加速器被设计用于处理各种不同的粒子，包括铀和金离子。