Das Zyklotron wurde 1934 von E.O. Lawrence und M.S. Livingstone erfunden. Es ist einer der wichtigsten Beschleuniger für positive Ionen. Das Zyklotron besteht aus einer flachen zylindrischen Vakuumkammer, in die zwei D-förmige hohle Elektroden, durch einen Spalt getrennt, eingebettet sind, die Dee’s (engl.). Die Dee’s liegen zwischen den Polen eines Elektromagneten, so dass ein homogenes Magnetfeld senkrecht zur Kreisbahn erzeugt wird.
Abb. 1. Aufbau des Zyklotrons links im Aufriss und rechts im Grundriss
An die Dee’s ist eine Hochspannungsfrequenz angelegt um im Spalt ein elektrisches Feld zu erzeugen. Positive Teilchen treten aus der Teilchenquelle in der Mitte der Anordnung heraus und werden zur negativen Kammerhälfte hin beschleunigt. Da im Inneren der Dee’s kein elektrisches Feld existiert, wirkt nur die Lorentzkraft des Magnetfeldes B der äußeren Elektromagneten. Während die Teilchen durch die Lorentz-Kraft in den Dee’s einen Halbkreis beschreiben, polt sich das elektrische Feld auf Grund der Wechselspannung um. Beim erneuten Eintreten in den Spalt werden die Teilchen so wieder durch das elektrische Feld beschleunigt. Die Frequenz der Wechselspannung muss also den Umlaufzeiten der Teilchen angepasst sein, damit diese bei jedem Durchqueren des Spaltes durch das elektrische Feld beschleunigt werden. Durch die Geschwindigkeitserhöhung wird der Radius der Halbkreise in den Dee’s immer größer. Die Zeit, die die Teilchen beim Durchlaufen der Dee’s benötigen, bleibt jedoch immer konstant. Damit kann die Hochspannungsfrequenz ebenfalls gleich bleiben. Die Teilchen durchlaufen so eine Spiralbahn bis sie den Rand des Magnetfeldes erreicht haben. Durch ein elektrisches Ablenkfeld werden die Teilchenpakete aus dem Zyklotron herausgelenkt und können zum Target geleitet werden.