Циклотрон (от цикл + электрон) — резонансный циклический ускоритель нерелятивистских тяжёлых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором частицы движутся в постоянном и однородном магнитном поле, а для их ускорения используется высокочастотное электрическое поле неизменной частоты.

В циклотроне тяжёлые ускоряемые частицы (протоны, ионы) впускаются в вакуумную камеру вблизи её центра.

После этого они движутся внутри полости двух чуть раздвинутых полуцилиндров (дуантов), помещённых между полюсами сильного электромагнита. Однородное магнитное поле этого электромагнита искривляет траекторию частиц. Ускорение движущихся частиц происходит в тот момент, когда они оказываются в зазоре между дуантами — в этом месте на них действует электрическое поле, создаваемое генератором высокой частоты, которая совпадает с частотой обращения частиц внутри циклотрона (циклотронной частотой), или кратна ей. При не слишком больших (нерелятивистских) скоростях эта частота не зависит от энергии частиц так что в зазор между дуантами частицы попадают на каждом следующем обороте через один и тот же промежуток времени, оставаясь в ускоряющей фазе волны электрического поля. Получая каждый раз при этом некоторое приращение скорости, они продолжают своё движение дальше по окружности всё большего радиуса, так что их траектория выглядит как плоская раскручивающаяся спираль. На последнем витке этой спирали включается дополнительное отклоняющее поле, и пучок ускоренных частиц выводится наружу. Поскольку задающее орбиту пучка магнитное поле неизменно, и ускоряющее высокочастотное электрическое поле в процессе ускорения также не меняет параметров, циклотрон может работать в квази-непрерывном режиме: все витки спирали заполнены сгустками частиц.

Первый циклотрон был создан в 1930 году американскими физиками Э. Лоуренсом и С. Ливингстоном. Это был маленький ускоритель 4-дюймового диаметра (около 10 см) на энергию 80 кэВ, для проверки принципов резонансного ускорения. В 1931—32 году была создана более серьёзная машина, диаметр циклотрона составил 25 см («11-дюймовый циклотрон»); достигнутая кинетическая энергия протонов в их экспериментах составила 1,2 МэВ.

В 1932 году этими же учёными была создана ещё более крупная машина, размером 69 см (27 дюймов), на энергию протонов 5 МэВ. Эта установка активно использовалась в экспериментах по исследованию ядерных реакций и искусственной радиоактивности.

Строительство первого в Европе циклотрона (циклотрон Радиевого института) проходило в Радиевом институте (Ленинград) в период 1932—1937 гг. Начинали работу над проектом учёные Г. А. Гамов (в дальнейшем эмигрировавший в США) и Л. В. Мысовский, в дальнейшем участвовали и другие сотрудники физического отдела института под руководством В. Г. Хлопина. Работы вели Г. А. Гамов, И. В. Курчатов и Л. В. Мысовский, установка создана и запущена в 1937 году.

Крупнейший в мире циклотрон — циклотрон лаборатории TRIUMF в Университете Британской Колумбии, в Ванкувере (Канада). Магнит этого циклотрона, ускоряющего ионы H− до энергии 500 МэВ, весит 4000 тонн и создаёт поле с индукцией 4,6 кГс. Ускоряющее электрическое ВЧ-поле имеет частоту 23 МГц и амплитуду напряжения 96 кВ; выпускаемый ток составляет 300 мкА. Выпуск осуществляется с помощью обдирки электронов при прохождении через графитовую фольгу.

Эрнест Орландо Лоуренс (англ. Ernest Orlando Lawrence; 8 августа 1901, Кантон, Южная Дакота, США — 27 августа 1958, Пало-Алто, Калифорния, США) — американский физик, создатель первого циклотрона (1930), за что он был удостоен Нобелевской премии (1939). Проводил исследования по ядерной физике и принимал участие в создании атомной бомбы.

Член Национальной академии наук США (1934), иностранный почётный член Академии наук СССР (1942).

Изобретение, которое принесло Лоуренсу международную известность, началось с зарисовки на клочке бумажной салфетки. В 1929 году Лоуренс в библиотеке наткнулся на статью Рольфа Видероэ и заинтересовался одной из диаграмм. Его внимание привлекло изображение устройства, которое получало частицы с высокой энергией с помощью череды небольших «толчков». Изображенный прибор представлял собой электроды, выложенные в прямую линию по мере увеличения их длины. В это время физики только начинали исследовать атомное ядро. В 1919 году, новозеландский физик Эрнест Резерфорд облучил азот альфа-частицами, в результате чего удалось выбить протон из некоторых ядер. Однако в силу своего положительного заряда ядра отталкивались друг от друга и были связаны друг с другом силой, которую физики только начинали понимать. Чтобы преодолеть эту силу требовалась гораздо более высокая энергия — порядка миллионов вольт.

Лоуренс отметил, что такой ускоритель частиц скоро станет слишком длинным и громоздким для его университетской лаборатории. Размышляя о том, как сделать ускоритель более компактным, Лоуренс решил установить круговую ускоряющую камеру между полюсами электромагнита. Протоны ускорялись двумя полукруглыми электродами, а магнитное поле придавало бы заряженным протонам спиральную траекторию. Примерно через сто оборотов можно было бы на выходе получить пучок частиц с высокой энергией. Это был способ получения частиц с очень высокой энергией без использования высокого напряжения. Лоуренс вместе с Н. Эдлефсеном сделали первый образец циклотрона, он был изготовлен из латуни, проволоки, сургуча и имел диаметр всего лишь 4 дюйма (10 см) — его можно было удерживать в одной руке.

Для развития идеи Лоуренс привлек двух аспирантов — Д.Слоана и М.Ливингстона, которые приступили к разработке ускорителя Видероэ и циклотрона Эдлефсена соответственно. Оба проекта оказались эффективными, и к маю 1931 года линейный ускоритель Слоана смог ускорить ионы до энергии 1 МэВ. У Ливингстона была более трудная техническая задача, но когда он приложил напряжение 1800 В к своему 11-дюймовому циклотрону 2 января 1931 года, он получил протоны с энергией 80 000 эВ, а через неделю — уже 1.22 МэВ при напряжении 3000 В.

Милтон Стэнли Ливингстон (англ. Milton Stanley Livingston; 25 мая 1905, Броудхед, Висконсин, США — 25 августа 1986, Санта-Фе, Нью-Мексико, США) — американский физик, совместно с Эрнестом Лоуренсом создавший первый циклотрон (1930), автор многих пионерских работ в области физики ускорителей.

После окончания школы Ливингстон сперва увлёкся химией в колледже, но потом переключился на физику. Поступил в Калифорнийский университет. Летом 1930 года он искал себе руководителя, и выбрал задачу, предложенную Эрнестом Лоуренсом. Лоуренс заметил, что частота обращения заряженной частицы в постоянном магнитном поле (циклотронная частота) не зависит от энергии частиц. А значит, подобрав частоту высокочастотного электрического поля, можно добиться многократного резонансного ускорения частицы. Лоуренс предложил Ливингстону проверить эту идею экспериментально. Другой студент Лоуренса, Нильс Эдлефсон, уже пытался сделать эту работу, но получил невнятные результаты. Ливингстон взял 4-дюймовый магнит, который сделал Эдлефсон, сделал вакуумную камеру и D-образные полые ускоряющие электроды, подсоединил ВЧ-генератор и собрал всю установку. В ноябре 1930 года, под чутким руководством Лоуренса, был получен первый ускоренный пучок ионов. Ионы H2+ были ускорены до 80 КэВ, при том что ускоряющее напряжение было всего лишь 1 кВ! По материалам этой работы Ливингстон очень быстро защитил диссертацию.

9 января 1932 году был запущен 11-дюймовый циклотрон на энергию протонов в 1.2 МэВ. На тот момент это была рекордная энергия для ускорителей. А вскоре новый 27-дюймовый циклотрон ускорил ионы водорода до энергии 5 МэВ. Пока в Беркли все радовались новому мировому рекорду ускорения, из Англии пришли новости от Кокрофта и Уолтона, которые расщепили ядро, используя высоковольтный ускоритель с энергией всего лишь 1 МэВ. Лоуренс и Ливингстон также занялись ядерными экспериментами на своём 27-дюймовом циклотроне.

Награждён премией Энрико Ферми в 1986 году «за ключевой вклад в развитие физики ядерных ускорителей, за участие в создании циклотрона, за важную роль в открытии принципа сильной фокусировки».

Эрнест Орландо Лоуренс (англ. Ernest Orlando Lawrence; 8 августа 1901, Кантон, Южная Дакота, США — 27 августа 1958, Пало-Алто, Калифорния, США) — американский физик, создатель первого циклотрона (1930), за что он был удостоен Нобелевской премии (1939). Проводил исследования по ядерной физике и принимал участие в создании атомной бомбы.

Член Национальной академии наук США (1934), иностранный почётный член Академии наук СССР (1942).

Изобретение, которое принесло Лоуренсу международную известность, началось с зарисовки на клочке бумажной салфетки. В 1929 году Лоуренс в библиотеке наткнулся на статью Рольфа Видероэ и заинтересовался одной из диаграмм. Его внимание привлекло изображение устройства, которое получало частицы с высокой энергией с помощью череды небольших «толчков». Изображенный прибор представлял собой электроды, выложенные в прямую линию по мере увеличения их длины. В это время физики только начинали исследовать атомное ядро. В 1919 году, новозеландский физик Эрнест Резерфорд облучил азот альфа-частицами, в результате чего удалось выбить протон из некоторых ядер. Однако в силу своего положительного заряда ядра отталкивались друг от друга и были связаны друг с другом силой, которую физики только начинали понимать. Чтобы преодолеть эту силу требовалась гораздо более высокая энергия — порядка миллионов вольт.

Лоуренс отметил, что такой ускоритель частиц скоро станет слишком длинным и громоздким для его университетской лаборатории. Размышляя о том, как сделать ускоритель более компактным, Лоуренс решил установить круговую ускоряющую камеру между полюсами электромагнита. Протоны ускорялись двумя полукруглыми электродами, а магнитное поле придавало бы заряженным протонам спиральную траекторию. Примерно через сто оборотов можно было бы на выходе получить пучок частиц с высокой энергией. Это был способ получения частиц с очень высокой энергией без использования высокого напряжения. Лоуренс вместе с Н. Эдлефсеном сделали первый образец циклотрона, он был изготовлен из латуни, проволоки, сургуча и имел диаметр всего лишь 4 дюйма (10 см) — его можно было удерживать в одной руке.

Для развития идеи Лоуренс привлек двух аспирантов — Д.Слоана и М.Ливингстона, которые приступили к разработке ускорителя Видероэ и циклотрона Эдлефсена соответственно. Оба проекта оказались эффективными, и к маю 1931 года линейный ускоритель Слоана смог ускорить ионы до энергии 1 МэВ. У Ливингстона была более трудная техническая задача, но когда он приложил напряжение 1800 В к своему 11-дюймовому циклотрону 2 января 1931 года, он получил протоны с энергией 80 000 эВ, а через неделю — уже 1.22 МэВ при напряжении 3000 В.

Милтон Стэнли Ливингстон (англ. Milton Stanley Livingston; 25 мая 1905, Броудхед, Висконсин, США — 25 августа 1986, Санта-Фе, Нью-Мексико, США) — американский физик, совместно с Эрнестом Лоуренсом создавший первый циклотрон (1930), автор многих пионерских работ в области физики ускорителей.

После окончания школы Ливингстон сперва увлёкся химией в колледже, но потом переключился на физику. Поступил в Калифорнийский университет. Летом 1930 года он искал себе руководителя, и выбрал задачу, предложенную Эрнестом Лоуренсом. Лоуренс заметил, что частота обращения заряженной частицы в постоянном магнитном поле (циклотронная частота) не зависит от энергии частиц. А значит, подобрав частоту высокочастотного электрического поля, можно добиться многократного резонансного ускорения частицы. Лоуренс предложил Ливингстону проверить эту идею экспериментально. Другой студент Лоуренса, Нильс Эдлефсон, уже пытался сделать эту работу, но получил невнятные результаты. Ливингстон взял 4-дюймовый магнит, который сделал Эдлефсон, сделал вакуумную камеру и D-образные полые ускоряющие электроды, подсоединил ВЧ-генератор и собрал всю установку. В ноябре 1930 года, под чутким руководством Лоуренса, был получен первый ускоренный пучок ионов. Ионы H2+ были ускорены до 80 КэВ, при том что ускоряющее напряжение было всего лишь 1 кВ! По материалам этой работы Ливингстон очень быстро защитил диссертацию.

9 января 1932 году был запущен 11-дюймовый циклотрон на энергию протонов в 1.2 МэВ. На тот момент это была рекордная энергия для ускорителей. А вскоре новый 27-дюймовый циклотрон ускорил ионы водорода до энергии 5 МэВ. Пока в Беркли все радовались новому мировому рекорду ускорения, из Англии пришли новости от Кокрофта и Уолтона, которые расщепили ядро, используя высоковольтный ускоритель с энергией всего лишь 1 МэВ. Лоуренс и Ливингстон также занялись ядерными экспериментами на своём 27-дюймовом циклотроне.

Награждён премией Энрико Ферми в 1986 году «за ключевой вклад в развитие физики ядерных ускорителей, за участие в создании циклотрона, за важную роль в открытии принципа сильной фокусировки».