サイクロトロンは、一定の周波数で反転する高周波電場と均一磁場を組み合わせ、荷電粒子を同じ軌道周期（等時性）で加速する円形の粒子加速器です。ローレンスは1930年代に直径数十センチの装置から始め、デイ型電極（Dee電極）を改良しながら運動エネルギー数十MeVまでのイオンを得ました。加速された粒子をターゲットに照射することで人工放射性同位体を大量生産でき、医学診断用の^32Pや^14Cなどが初めて合成されました。これにより核物理学の実験範囲が一気に広がり、中性子・陽子の相互作用の研究も進展しました。今日のPET検査や放射線治療に欠かせない同位体製造の原点が、この発明にあります。

等時性サイクロトロンでは、粒子が回転するたびに電極間を通過する位相を合わせるため、交流電場の周波数は qB/2πm で固定されます。粒子エネルギーが上昇して相対論効果が無視できなくなる領域までは、半径 r∝v/B のままほぼ等周期運動が維持されます。ローレンスは銅製Dee電極を真空槽内で対向配置し、加速ギャップを通過するたびに数十kVの電圧を印加することで段階的に運動エネルギーを増幅しました。得られた高エネルギーイオンを用いた( p , n )反応や( d , n )反応で多数のβ放出核種が得られ、核分裂以前の時代に核反応系列表が整備されました。今日のアルヴェトロン、シンクロトロンや病院用コンパクトサイクロトロンは、この原理を高周波補正やAVF磁場で拡張した技術です。

ローレンスの27-inchおよび60-inchサイクロトロンは約37 MHzで動作し、最大デューティ1/2のシンプリシティギャップを実装した。ビーム電流はμA級に達し、ガリレオ変調による位相安定と高Qタンク回路で数百WのRF損失に抑制された。B≃1.2 Tの鋳鉄磁極は補正コイルで微調整され、エネルギー拡散ΔE/E<10⁻³を達成。^7Li(d,n)^8Be反応による中性子源はラウエ‐ブラッグ散乱実験のフラックスを2桁向上させ、σ_tot測定に用いられた。人工核種^59Fe, ^24Na等は初期の核医学吸収率研究に不可欠だった。設計思想は後の强集束サイクロトロンや超伝導AVF機への基盤となり、ラジオアイソトープ製造コストを大幅に低減した。