Ein Zyklotron ist eine Art Teilchenbeschleuniger, der ein konstantes Magnetfeld und elektrische Wechselfelder verwendet, um ein Teilchen in einer spiralförmigen Bewegung zu beschleunigen. Diese Arten von Teilchenbeschleunigern gehörten zu den ersten, die entwickelt wurden und haben gegenüber frühen Linearbeschleunigern mehrere Vorteile, wie zum Beispiel geringere Größenanforderungen. Während technologische Fortschritte komplexere Typen von Teilchenbeschleunigern möglich gemacht haben, gibt es immer noch einige Anwendungen für Zyklotrone in einer Reihe von verschiedenen Bereichen. Ein Zyklotron kann immer noch in physikalischen Experimenten verwendet werden, insbesondere als früher Teil eines mehrstufigen Beschleunigers.
Ein Zyklotron wurde 1932 entwickelt und ist ein Teilchenbeschleuniger, der eine kreisförmige Bewegung verwendet, typischerweise in einer nach außen wachsenden Spirale, um Teilchen für eine Reihe von verschiedenen Anwendungen zu beschleunigen. Die Teilchenbeschleunigung erfordert typischerweise einen ziemlich großen Abstand, damit die Teilchen eine ausreichende Geschwindigkeit für die Verwendung in Experimenten erreichen können. Die Konstruktion eines Zyklotrons ermöglicht jedoch den Einsatz kleinerer Beschleuniger mit großer Wirkung, da sich das Teilchen in einer Kreisbewegung bewegt und eine große Entfernung zurücklegt, ohne einen langen geraden Durchgangskorridor zu benötigen.
Ein Zyklotron funktioniert im Grunde durch die Verwendung eines Paars von Hochleistungselektroden, die jeweils wie ein „D“ mit den flachen Seiten zueinander ausgerichtet sind, um eine vollständige Kreisform zu erzeugen. Ausgehend vom Mittelpunkt des Kreises beginnt sich ein Teilchen vom Mittelpunkt zu entfernen, wird jedoch durch Anziehung und Abstoßung in eine kreisförmige Bewegung gezogen. Die Dioden laden sich abwechselnd auf, so dass das Teilchen zu einer beschleunigt wird, sich dann umkrümmt, während es von der einen weggedrückt und zur anderen angezogen wird, und setzt dann das Muster zwischen den beiden Elektroden fort. Dies würde in Ruhe eine perfekte Kreisbewegung erzeugen, aber zwischen den beiden Dioden wird ein Magnetfeld erzeugt, das senkrecht zur Kreisbewegung des Partikels steht.
Dieses Magnetfeld verschiebt die Bewegung des Partikels geringfügig, sodass es jedes Mal, wenn es zwischen den beiden Elektroden passiert, ein Stück vom Mittelpunkt des Kreises wegbewegt wird. Indem das Teilchen leicht nach außen bewegt wird, wird der Weg, den es während der Beschleunigung nimmt, zu einer nach außen wachsenden Spirale und nicht zu einem Kreis. Dadurch kann das Partikel schließlich auf einen Zielbereich im Inneren der Eindämmungseinheit treffen, wo es dann zur weiteren Untersuchung oder Verwendung umgeleitet werden kann.
Einer der größten Nachteile eines Zyklotrons besteht darin, dass der Zielbereich nur für ein Teilchen verwendet werden kann, das sich mit Geschwindigkeiten bewegt, die mit der Newtonschen Physik richtig berechnet werden können. Höhere Geschwindigkeiten würden relativistische Effekte verursachen und das Ziel würde nicht richtig getroffen, was bedeutet, dass ein Zyklotron normalerweise nicht die Beschleunigungswerte erzeugen kann, die neuere Linearbeschleuniger können. Es wurden jedoch isochrone Zyklotrone entwickelt, die relativistische Änderungen des Teilchens kompensieren können und sehr effektiv sein können.