Un cyclotron est un type d’accélérateur de particules qui utilise un champ magnétique constant et des champs électriques alternatifs pour accélérer une particule dans un mouvement en spirale. Ces types d’accélérateurs de particules ont été parmi les premiers conçus et présentent plusieurs avantages par rapport aux premiers accélérateurs linéaires, tels que des exigences de plus petite taille. Bien que les progrès technologiques aient rendu possibles des types plus complexes d’accélérateurs de particules, il existe encore des utilisations pour les cyclotrons dans un certain nombre de domaines différents. Un cyclotron peut encore être utilisé dans l’expérimentation physique, en particulier en tant que première partie d’un accélérateur à plusieurs étages.
Développé en 1932, un cyclotron est un accélérateur de particules qui utilise un mouvement circulaire, généralement dans une spirale croissante vers l’extérieur, pour accélérer les particules pour un certain nombre d’utilisations différentes. L’accélération des particules nécessite généralement une distance assez grande pour permettre aux particules d’atteindre une vitesse suffisante pour une utilisation dans des expériences. La conception d’un cyclotron, cependant, permet d’utiliser de plus petits accélérateurs à bon escient, puisque la particule se déplace dans un mouvement circulaire et parcourt une grande distance sans nécessiter un long couloir rectiligne pour le passage.
Un cyclotron fonctionne essentiellement en utilisant une paire d’électrodes haute puissance, chacune en forme de « D » avec les côtés plats l’un vers l’autre, pour créer une forme circulaire complète. En commençant au centre du cercle, une particule commence à s’éloigner du centre, mais en utilisant l’attraction et la répulsion, elle est plutôt entraînée dans un mouvement circulaire. Les diodes se chargent alternativement entre elles de sorte que la particule est accélérée vers l’une, puis se courbe lorsqu’elle est repoussée par celle-ci et attirée vers l’autre, puis continue le motif entre les deux électrodes. Cela créerait un mouvement circulaire parfait s’il était laissé seul, mais un champ magnétique est créé entre les deux diodes, qui est perpendiculaire au mouvement circulaire de la particule.
Ce champ magnétique décale légèrement le mouvement de la particule, de sorte qu’à chaque fois qu’elle passe entre les deux électrodes, elle s’éloigne un peu du centre du cercle. En déplaçant légèrement la particule vers l’extérieur, le chemin qu’elle emprunte pendant l’accélération devient une spirale croissante vers l’extérieur plutôt qu’un cercle. Cela permet à la particule de finir par frapper une zone cible à l’intérieur de l’unité de confinement, où elle peut ensuite être redirigée pour une étude ou une utilisation plus approfondie.
L’un des inconvénients majeurs d’un cyclotron est que la zone cible ne peut être utilisée que pour une particule se déplaçant à des vitesses qui peuvent être correctement calculées à l’aide de la physique newtonienne. Des vitesses plus élevées provoqueraient des effets relativistes et la cible ne serait pas frappée correctement, ce qui signifie qu’un cyclotron ne peut généralement pas produire les niveaux d’accélération que les nouveaux accélérateurs linéaires peuvent. Des cyclotrons isochrones ont été développés, cependant, qui peuvent compenser les changements relativistes de la particule, et peuvent être très efficaces.