Zyklotron ist eine Art Teilchenbeschleuniger, der 1930 von Ernest Lawrence von der Universität von Kalifornien, Berkeley, entwickelt wurde. Es dient dazu, geladene Teilchen auf hohe Energien zu bringen, indem es sie in einer spiralförmigen Bahn umkreisen lässt. Erste Geräte konnten relativ kompakt gebaut werden; moderne Beschleuniger reichen in ihrer Größe von wenigen zehn Zentimetern (Tischzyklotrons) bis zu mehreren Metern Durchmesser. Sehr große ringförmige Beschleuniger, die für höhere Energien nötig sind, können dagegen mehrere hundert Meter bis Kilometer Umfang haben (solche großskaligen Anlagen gehören häufig zur Klasse der Synchrotrons).

Ein Zyklotron besteht im Wesentlichen aus zwei halbmondförmigen Elektroden, den sogenannten "Dees", die in einem evakuierten Behälter angeordnet sind, einem starken Magnetfeld senkrecht zur Ebene der Dees und einer Hochfrequenz-(HF-)Quelle. In der Mitte sitzt eine Ionenquelle, die geladene Teilchen liefert. Zyklotronen verwenden ein senkrechtes Magnetfeld, um die Bahnen der Teilchen zu krümmen, und ein angelegtes elektrisches HF-Feld zwischen den Dees, das die Teilchen jeweils beim Überspringen der Lücke beschleunigt. Die HF-Spannung ändert ihre Polarität mit der sogenannten Zyklotronfrequenz f = qB/(2πm) (für nicht-relativistische Teilchen), sodass das Feld jedes Mal in der passenden Richtung wirkt, wenn das Teilchen die Lücke durchquert.

Praktisch läuft die Beschleunigung so ab: Aus der Ionenquelle werden initial langsame Teilchen eingespeist. Beim ersten Durchgang überqueren sie die Lücke zwischen den Dees und erhalten einen Energieschub durch das HF-Feld. Durch das Magnetfeld bewegen sich die Teilchen auf einer halbkreisförmigen Bahn und kehren in die andere Dee zurück, wo das HF-Feld inzwischen seine Polarität gewechselt hat und beim nächsten Lückendurchgang erneut beschleunigt. Mit steigender Geschwindigkeit vergrößert sich der Radius der Bahn, so dass die Teilchen spiralförmig nach außen laufen. Nach mehreren Durchläufen werden sie mittels spezieller Austrittsvorrichtungen (z. B. Ablenkelektrode oder Stripperfolie bei negativ geladenen Ionen) aus dem Zyklotron herausgeführt und für Experimente, medizinische oder industrielle Anwendungen nutzbar gemacht.

Elektronen werden in klassischen Zyklotronen kaum verwendet, weil ihre geringe Masse dazu führt, dass sie schon bei relativ niedrigen Energien relativistische Effekte zeigen; dadurch ändert sich ihre Umlauffrequenz und die einfache Zyklotronbedingung nicht mehr gilt. Daher eignen sich Zyklotronen besonders gut für schwerere geladene Teilchen wie Protonen, Deuteronen, Alphateilchen oder leichte Ionen, während für Elektronen eher Linearbeschleuniger (Linacs) oder spezielle Synchrotrons eingesetzt werden.

Moderne Weiterentwicklungen des Grundprinzips sind beispielsweise:

  • Synchrocyclotron: Hier wird statt einer konstanten HF-Frequenz die Frequenz während der Beschleunigung variiert, um relativistische Effekte zu kompensieren.
  • Isochrones Zyklotron (AVF-Zyklotron): Durch eine gezielt veränderliche Magnetfeldverteilung (azimutal variable Feldstärke) bleibt die Umlaufzeit der Teilchen bei höheren Energien nahezu konstant, sodass hohe Ströme und Energien möglich sind.
  • Stripper-Zyklotron: Bei mehrgeladenen Ionen werden Stripperfolien eingesetzt, um die Ladung zu ändern und so die Extraktion zu vereinfachen.

Typische Einsatzgebiete von Zyklotronen sind:

  • Herstellung medizinischer Radionuklide für die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und andere nuklearmedizinische Anwendungen,
  • Protonentherapie und Hadronentherapie zur Krebsbehandlung (hier werden oft spezielle Zyklotron- oder Synchrotron-Systeme verwendet),
  • Grundlagenforschung in der Kern- und Teilchenphysik,
  • Materialforschung und Strahlenimplantation in der Halbleitertechnik,
  • Produktion von Neutronen durch (p,n)-Reaktionen für verschiedene Anwendungen.

Beschränkungen und technische Aspekte: Die erreichbare Endenergie hängt von der Magnetfeldstärke und dem Platz für die Spiralbahn ab. Bei sehr hohen Energien führen relativistische Effekte dazu, dass ein klassisches Zyklotron nicht mehr effizient arbeitet—daher die erwähnten Varianten. Weitere praktische Aspekte sind Vakuumbedarf, Präzision der HF-Phasensynchronisation, Wärmeabfuhr und Strahlführung sowie umfangreiche Strahlenschutz- und Abschirmungsmaßnahmen.

Zusammenfassend ist das Zyklotron ein kompakter und effizienter Beschleuniger für viele Anwendungen im Bereich medizinischer Versorgung, Industrie und Forschung. Trotz seiner historischen Einfachheit wurde das Prinzip vielfach technisch verfeinert, sodass Zyklotronbauarten heute sehr unterschiedliche Energiereichweiten und Teilchenarten bedienen können.