1946年，物理学家罗伯特·威尔逊首次提出用质子束治疗肿瘤的设想。1994年，日本千叶建成世界上第一个重离子治癌中心，重离子治癌研究引发全球高度关注，不仅因其能有效防止癌细胞残留和复发，且对正常组织的毒副作用较小，能为患者减轻放疗带来的痛苦。
1988年，中国科学院近代物理研究所建成了我国第一台大型重离子研究装置——兰州重离子加速器（HIRFL）。
从1993年提出开展关于重离子治癌研究设想，到1995年相关研究项目入选国家攀登计划B，近代物理所的科研人员面临着从零开始追赶国际研究步伐并实现国产化的艰巨任务。在前期探索中，有一个核心问题：如何精确匹配肿瘤深度与大小所需要的能量？这就像一场精准的导弹打击，既要确保能量深入肿瘤，又要避免对健康组织的伤害。经过多次实验、多次总结、逐步改进，研究人员最终发现碳离子的效果最好。
2006年3月1日，我国首个浅层肿瘤重离子治疗装置通过了专家组的鉴定验收。同年，首批4例癌症患者接受了重离子治疗技术的前期临床试验，中国由此成为世界上第四个成功进行重离子临床治疗的国家。随后一年里，研究团队与医院紧密合作，利用碳离子束对病人进行肿瘤治疗，这些患者涉及12种不同癌症类型，最终，大多数患者的肿瘤完全消失，其余患者的肿瘤有了不同程度的缩小。
从2006年至2009年，研究所共进行了103例体表肿瘤临床前期试验研究。2008年7月，兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL-CSR）通过国家验收，科研人员决定利用其提供的高能碳离子开展深部肿瘤前期临床试验研究。但是一切计划仍然处于纸上谈兵的阶段，项目的落地才是最关键一步。近代物理所原所长肖国青说：“近代物理所只是个研究单位，不可能自己去投资建设一个治癌中心，这种事还是要交给企业来做。”
听闻此事，各地闻风而动，厦门、广州、福州等城市与近代物理所接触，争建国内首家重离子治癌中心。但是重离子治疗设备审批要求极为严格，且此前并无同等体量的国产医疗器械报批先例。从样机调试、设备检测到临床试验、审批注册，每一步都如履薄冰，稍有不慎就可能功亏一篑。终于，2012年5月2日，重离子肿瘤治疗中心落户甘肃武威，并正式开工建设，国家大科学工程——“重离子治癌”从基础研究向民生应用迈出了实质性的一步。
研究团队像坚韧的钉子一样，在武威城东腾格里沙漠南缘这片不毛之地，用毅力和智慧克服了一个又一个困难。2019年9月29日，我国首台具有完全自主知识产权的国产医用重离子加速器装置“碳离子治疗系统”正式获批并投入运营。截至2024年2月24日，武威重离子治疗装置已治疗患者1133例，效果显著。与进口设备相比，国产重离子治疗设备技术先进、维护费用低、性价比高，还能提供持续的技术升级服务。
如今，医用重离子加速器正在多地如火如荼地建设中，但现有设备数量还远不能满足我国的实际需求。医用重离子加速器的发展方向是小型化、低成本，“未来，我们可能采用超导方案，将医用重离子加速器缩小到几百平方米的房间内。”肖国青期待，越来越多医院配备重离子加速器。