Un ciclotrón es un tipo de acelerador de partículas que utiliza un campo magnético constante y campos eléctricos alternos para acelerar una partícula en un movimiento en espiral. Estos tipos de aceleradores de partículas fueron de los primeros ideados y tienen varias ventajas sobre los primeros aceleradores lineales, como requisitos de tamaño más pequeño. Si bien los avances en la tecnología han hecho posibles tipos más complejos de aceleradores de partículas, todavía existen algunos usos para los ciclotrones en varios campos diferentes. Un ciclotrón todavía se puede utilizar en la experimentación física, especialmente como parte inicial de un acelerador de múltiples etapas.
Desarrollado en 1932, un ciclotrón es un acelerador de partículas que usa movimiento circular, típicamente en una espiral de crecimiento hacia afuera, para acelerar partículas para una serie de usos diferentes. La aceleración de partículas generalmente requiere una distancia bastante grande para permitir que las partículas alcancen la velocidad suficiente para su uso en experimentos. El diseño de un ciclotrón, sin embargo, permite utilizar aceleradores más pequeños con gran efecto, ya que la partícula se mueve en un movimiento circular y viaja una gran distancia sin requerir un pasillo largo y recto para su paso.
Un ciclotrón funciona básicamente utilizando un par de electrodos de alta potencia, cada uno con forma de «D» con los lados planos uno hacia el otro, para crear una forma circular completa. Comenzando en el centro del círculo, una partícula comienza a alejarse del centro, pero al usar la atracción y la repulsión, en su lugar se tira hacia un movimiento circular. Los diodos alternan la carga entre ellos para que la partícula se acelere hacia uno, luego se curva a medida que es empujada por ese y atraída hacia el otro, luego continúa el patrón entre los dos electrodos. Esto crearía un movimiento circular perfecto si se deja solo, pero se crea un campo magnético entre los dos diodos, que es perpendicular al movimiento circular de la partícula.
Este campo magnético cambia ligeramente el movimiento de la partícula, por lo que cada vez que pasa entre los dos electrodos se aleja un poco del centro del círculo. Al mover la partícula ligeramente hacia afuera, el camino que toma durante la aceleración se convierte en una espiral de crecimiento hacia afuera en lugar de un círculo. Esto permite que la partícula eventualmente golpee un área objetivo en el interior de la unidad de contención, donde luego puede ser redirigida para su posterior estudio o uso.
Uno de los principales inconvenientes de un ciclotrón es que el área objetivo solo se puede usar para una partícula que viaja a velocidades que se pueden calcular correctamente utilizando la física newtoniana. Velocidades más altas causarían efectos relativistas y el objetivo no se golpearía correctamente, lo que significa que un ciclotrón normalmente no puede producir los niveles de aceleración que pueden producir los aceleradores lineales más nuevos. Sin embargo, se han desarrollado ciclotrones isócronos que pueden compensar los cambios relativistas de la partícula y pueden ser bastante efectivos.