質子直線加速器
離子治療用直線加速器的研究主要集中于質子治療領域。1989年，人們提出了第一臺治療用66MeV質子直線加速器模型，若加速梯度為2.5MeV/m，那么質子直線加速器將達到24米長。盡管直線加速器的長度問題成為了應用于離子治療的重要障礙，但仍具有潛在的優勢，如能在幾毫秒內改變質子能量、減少橫向發射度從而使束流磁鐵更輕更便宜、以及降低能量損失從而降低輻射防護要求及運營困難等，這些優勢也推動了直線加速器的進一步發展。
優化加速腔和3GHz射頻的應用可以產生更強的電加速場，這使得直線加速器的能量增益達到15MeV/m，重復率(repetition rate)達到100-300Hz。質子旋轉直線加速器(TUrning LInac for Proton, TULIP)可顯著縮短加速器的長度，并可安裝旋轉機架。在某些情況下，需要預加速到24-70MeV，這可以通過回旋加速器實現(cyclinac)。此外，直線加速器的進一步發展也可應用于碳離子治療，與同步加速器相比將會顯著降低能耗。
質子直線加速器與旋轉機架
目前，第一臺系統完整的230MeV直線加速器正在歐洲進行檢測，由此直線加速器也從實驗室階段進入到了商用階段。對于質子治療，降低成本可通過較輕的磁鐵、較少的輻射防護和優化的能量調節實現，但總體成本并不會有顯著的降低。
固定磁場交變梯度加速器
在過去的10年間，加速器研發人員一直在探討固定磁場交變梯度加速器(FFAG)能否用于質子(或氦離子或碳離子)治療。FFAG加速器的概念源于回旋加速器與同步加速器的結合，分為等比FFAG(scaling FFAG)加速器和非等比FFAG(nonscaling FFAG)加速器。非等比FFAG(nonscaling FFAG)加速器的體積更小，但設計過程相當復雜。此外，由于在頻率變化時需要很強的電場，射頻電源和腔體的設計也很復雜，這需要較大的電力支持。
對于在質子治療中的應用，FFAG加速器由于有較大的能量接受度(energy acceptance)，能夠快速改變能量，并可能獲得比同步加速器和同步回旋加速器更大的束流強度。
然而，FFAG加速器的體積和重量均比同步加速器更大。非等比FFAG加速器雖然體積相對較小，但設計、安裝和運營都更為復雜。兩種FFAG加速器均需要高達10MeV的注入系統，例如一個回旋加速器。因此，鑒于其仍處于實驗室階段并且成本較高，在短期內FFAG加速器并不會應用于臨床質子治療，但FFAG加速器的研發，尤其在氦離子或碳離子治療中的應用仍具有很大意義。
激光等離子體加速器
與上述加速器最大的不同在于，激光驅動的加速器依賴超強(>1018W/cm2)超短(數十飛秒)激光脈沖聚焦于(超)薄箔片上。激光和等離子體的相互作用能夠以大加速梯度產生并加速質子和重離子(如碳離子)，加速梯度可達當前射頻場的6倍。近年來，不同的加速機制已經能夠將質子的能量提高到接近100MeV。體外放射生物學實驗也利用較低能量的激光使質子能量達到了數十MeV，并提高了重復率，促使了生物醫學應用的轉化。近期，新一代Petawatt激光裝置強度達到了治療需求，并且重復率接近1Hz，布拉格ELIMAIA和慕尼黑CALA中心正在安裝這種裝置。
經激光加速的質子束與其他加速器產生的質子束相比其特性存在很大不同，如超短的束團持續時間(bunch duration)(≤ns)、高強度(≥107/cm2/脈沖)、大角散度(angular divergence)(≥2°)以及多能譜(poly-energetic spectrum)(可達100%ΔE/E)。因此，不單單是加速過程，包括束流診斷(beam diagnostics)、傳輸、輸送以及治療計劃制定和監測在內的其他過程都需要新的技術，以實現向臨床應用的轉化。
高功率激光設備體積的減小從長遠看可能會降低成本。盡管成本和體積是最初研發激光加速器考慮的因素，但研究人員已經意識到激光加速器真正的潛力在于其發射離子束獨特的特征。這些特征可能會促使產生超快輸送等新的技術。盡管臨床應用還遙不可及，但Petawatt激光裝置的新進展會推動激光等離子體加速器的研發，并且可以確立激光在離子治療生物醫學應用中的地位。（質子中國 編譯報道）
參考文獻：Schippers JM, Lomax A, Garonna A, Parodi K. Technological Improvements Reduce the Cost ofProton Radiation Therapy?. Semin Radiat Oncol. 2018;28(2):150-159.
