Un ciclotrone è un tipo di acceleratore di particelle che utilizza un campo magnetico costante e campi elettrici alternati per accelerare una particella in un movimento a spirale. Questi tipi di acceleratori di particelle sono stati tra i primi ad essere ideati e presentano numerosi vantaggi rispetto ai primi acceleratori lineari, come requisiti di dimensioni inferiori. Mentre i progressi tecnologici hanno reso possibili tipi più complessi di acceleratori di particelle, ci sono ancora alcuni usi per i ciclotroni in una serie di campi diversi. Un ciclotrone può ancora essere utilizzato nella sperimentazione fisica, specialmente come parte iniziale di un acceleratore multistadio.
Sviluppato nel 1932, un ciclotrone è un acceleratore di particelle che utilizza il movimento circolare, tipicamente in una spirale crescente verso l’esterno, per accelerare le particelle per una serie di usi diversi. L’accelerazione delle particelle richiede tipicamente una distanza abbastanza grande per consentire alle particelle di raggiungere una velocità sufficiente per l’uso negli esperimenti. Il design di un ciclotrone, tuttavia, consente di utilizzare acceleratori più piccoli con grande efficacia, poiché la particella si muove con un movimento circolare e percorre una grande distanza senza richiedere un lungo corridoio rettilineo per il passaggio.
Un ciclotrone funziona fondamentalmente utilizzando una coppia di elettrodi ad alta potenza, ciascuno a forma di “D” con i lati piatti l’uno verso l’altro, per creare una forma circolare completa. Partendo dal centro del cerchio, una particella inizia ad allontanarsi dal centro, ma usando l’attrazione e la repulsione, viene invece trascinata in un movimento circolare. I diodi si caricano alternativamente tra loro in modo che la particella venga accelerata verso uno, quindi si incurva mentre viene spinta via da quello e attratta verso l’altro, quindi continua lo schema tra i due elettrodi. Ciò creerebbe un movimento circolare perfetto se lasciato solo, ma si crea un campo magnetico tra i due diodi, che è perpendicolare al movimento circolare della particella.
Questo campo magnetico sposta leggermente il movimento della particella, quindi ogni volta che passa tra i due elettrodi viene spostata un po’ lontano dal centro del cerchio. Spostando leggermente la particella verso l’esterno, il percorso che prende durante l’accelerazione diventa una spirale che cresce verso l’esterno anziché un cerchio. Ciò consente alla particella di colpire eventualmente un’area bersaglio all’interno dell’unità di contenimento, dove può quindi essere reindirizzata per ulteriori studi o usi.
Uno dei principali svantaggi di un ciclotrone è che l’area bersaglio può essere utilizzata solo per una particella che viaggia a velocità che possono essere calcolate correttamente utilizzando la fisica newtoniana. Velocità più elevate causerebbero effetti relativistici e il bersaglio non verrebbe colpito correttamente, il che significa che un ciclotrone non può in genere produrre i livelli di accelerazione che i nuovi acceleratori lineari possono. Tuttavia, sono stati sviluppati ciclotroni isocroni che possono compensare i cambiamenti relativistici della particella e possono essere piuttosto efficaci.