20世纪60年代以来，随着重离子加速器的发展，原子核物理开拓了一个蓬勃发展的新领域――重离子物理。在其它学科，如原子物理、材料科学、生命科学、新能源研究、天体物理等领域，重离子束亦显示出日益重要的应用前景并形成了重要的交叉学科。 为使我国在重离子物理的前沿领域占有一席之地，由国家投资建设了兰州重离子加速器（HIRFL）。经过三个大科学工程的建设及多次改进，兰州重离子加速器现已经发展成为我国能量最高、规模最大的重离子研究，它由电子回旋共振（ECR）离子源、1.7米扇聚焦回旋加速器（SFC）、大型分离扇回旋加速器（SSC）、新建的冷却储存环(CSR)主环和实验环、放射性束流线、实验终端等主要设施组成。
近代物理所于20世纪60年代初建成了1.5米经典回旋加速器，通过轻核反应实验研究，为中国氢弹研制作出了贡献。70年代初，在国际重离子物理迅猛发展的形势下，将1.5米回旋加速器改建成能加速较轻重离子的加速器，在中国率先开展了低能重离子物理基础研究。
1976年11月，中国国家计委批准由近代物理所负责设计建造兰州重离子加速器的主加速器系统，主要建设一台大型分离扇回旋加速器及几个实验终端。同时，由中科院匹配经费把原1.5米回旋加速器改建成1.7米扇聚焦回旋加速器作为注入器。兰州重离子加速器的主加速器SSC和注入器SFC于1988年建成，其主要技术指标达到当时国际先进水平，1992年获国家科技进步一等奖。SSC与SFC联合运行，可以把重离子加速到中等能量，用以开展远离稳定线新核素合成、中低能重离子碰撞和热核性质、重离子束应用等研究。
1991年8月，原国家计委批准成立兰州重离子加速器国家实验室，向国内外开放。1997年在主加速器SSC上建成具有创新结构的中能放射性束流线（RIBLL），为我国开展放射性束物理研究创造了条件；2006年具有国际领先水平的超导高电荷态ECR离子源建成并投入运行，使HIRFL的束流强度显著提高；再加上一批改造项目的实施，使HIRFL的运行水平进入国际先进行列。
为使我国重离子物理研究继续在部分前沿领域保持国际先进性，同时深入开展重离子治疗肿瘤等交叉学科研究，近代物理研究所经过多年的预研及反复论证，并结合中国国情，提出了在HIRFL上扩建多用途的冷却储存环（CSR）工程。CSR作为国家“九五”重大科学工程，于1997年6月经国务院科技领导小组审议通过，2000年4月经国家发改委批准开工建设，2008年7月通过国家验收，正式投入运行。CSR突出的创新点是，高品质同步环和大接受度实验环双环运行，并配以空心电子束冷却，大幅度提高了束流累积效率、重离子束的能量、流强和束流品质，使一些极端条件下的高精度测量成为可能。工程建设坚持自主创新，自行研制的设备超过70%，在超高真空、磁铁及其电源的设计加工、自动控制等方面都达到了国际同类装置的先进水平。CSR的投入使用为中国重离子核物理、放射性束物理、高离化态原子物理、核天体物理、强子物理等基础研究，以及生命科学、材料科学、航天科技等应用研究提供了先进的实验条件，2012年获国家科技进步二等奖。