شتاب‌دهنده ذرات
معرفی چند نوع شتابدهنده

سیکلوترون‌ها
اشکال اساسی در شتاب‌دهنده‌های خطی، طول بلند آن‌ها برای حصول به انرژی‌های بالا است و این اشکال با ساختن اولین سیکلو ترون در سال۱۳۳۱–۱۳۲۹توسط لارنس و لینوینگستون مرتفع گردید. ذرات در مسیر مارپیچی شکل در داخل دو نیم کره فلزی میان تهی به نام دی‌ها و در فضای خلاء و در حالی که صفحات دی‌ها به یک ولتاژ تغییر دهنده علامت متصل هستند، تحت یک میدان مغناطیسی شتاب دار می‌شوند. لارنس این کار جدید خود که از یک مدار مارپیچی نیم دایره‌ای به جای مسیر خطی برای شتاب ذرات استفاده کرد، جایزه نوبل سال ۱۹۳۹ را به خود اختصاص داد.
یک سیکلوترون به صورت دو آهن‌ربای دوقطبی بزرگ طراحی شده برای ایجاد یک ناحیه نیم دایره‌ای میدان مغناطیسی یکنواخت که به‌طور یکنواخت به طرف پایین جهت‌گیری دارد، طراحی می‌شود.
یک ولتاژ نوسانی برای ایجاد یک میدان الکتریکی در عرض این شکاف اعمال می‌شود. ذرات به ناحیه میدان مغناطیسی یک مسیرِD خارج یک مسیر نیم دایره‌ای تزریق می‌شوند تا به شکاف برسند. بدین ترتیب میدان الکتریکی، به ذرات وقتی از آن عبور می‌کنند، شتاب می‌دهد.
حالا ذرات انرژی بالاتری دارند، پس ذر یک مسیر نیم دایره‌ای دیگر درD بعدی با شعاع بزرگ‌تر جریان میابند و بنابر این دوباره به شکاف می‌رسند. بسامد میدان الکتریکی باید درست طوری تنظیم شود که جهت میدان به وسیله زمان ورود آن‌ها در شکاف معکوس شود. میدان در شکاف، آن‌ها را شتاب می‌دهد و آن‌ها دوباره وارد اولین D می‌شوند. بدین ترتیب وقتی ذرات به اطراف به‌طور مارپیچ می‌چرخند انرژی کسب می‌کنند. طراحی سیستم چنان است که وقتی آن‌ها سرعت می‌گیرند، یک قوس بزرگ را دنبال می‌کنند و از اینرو همیشه در یک زمان به شکاف می‌رسند. این راه یک نوسان میدان الکتریکی بسامد ثابت، ادامه میابد تا همواره در عرض شکاف به آن‌ها شتاب داده شود. محدودیت دربارهٔ انرژی که می‌تواند در چنین وسیله‌ای به آن رسید به اندازه آهنرباهایی که Dها را تشکیل می‌دهند و به شدت میدان مغناطیسی آن‌ها بستگی دارد. این عمل توسط یک سنکروترون انجام می‌شود، به محض اینکه اصول سنکروترون توسعه یافت، دریافتند که راه خیلی ارزان تری برای دست یابی به انرژی خیلی بالاتر از سیکلوترون وجود دارد و در این صورت روش سیکلوترون اصلی دیگر مورد استفاده قرار نگرفت.
بنابراین سیکلوترون‌ها دارای یک چشمه یونی است، که بین دو صفحه نیم دایره میان تهی (به نام دی) قرار گرفته‌است. فاصله بین دی‌ها جایی است که شتاب یون در آنجا صورت می‌پذیرد. و پایین دی‌ها و چشمه یون قطب‌های یک مغناطیس بزرگ قرار دارند. تأثیر میدان مغناطیس بر روی ذرات باردار موجب حرکت آن‌ها در یک مسیر دایره‌ای می‌گردد. در هنگام کار سیکلوترون، چشمه یون، ذرات باردار (معمولاً مثبت) را به فضای بین دی‌ها تزریق می‌کند که این ذرات به داخل دی دارای بار مخالف شتاب داده می‌شوند، و فقط مجبور به حرکت در یک مسیر دایره‌ای به وسیله میدان مغناطیسی می‌باشند. ابتدا، انرژی ذرات پایین است و مسیر طی شده دارای شعاع کوچکی است. بلافاصله پس از خروج ذرات به وسیلهٔ دی اول دفع شده و به سمت دی دوم شتاب داده می‌شوند. در این زمان، ذرات انرژی جنبشی نسبتاً بیشتری دارند، لذا آن‌ها مسیر دایره شکلی را که دارای شعاع بزرگ‌تر است طی می‌کنند، ولی زمانی را که ذره برای بیرون آمدن از دی‌ها لازم دارد همیشه یکسان است (سرعت آن‌ها بالاتر است، ولی مسیری که دارای شعاع بزرگتری است، طولانی‌تر است. ذراتی که هر بار به این طریق شتاب داده می‌شوند از فاصله بین دی‌ها عبور می‌کنند. سرانجام شعاع مسیر مارپیچی که باید سیکلوترون آن را در حرکت بعدی خود نگه دارد، بسیار بزرگ شده و ذرات به صورت بار الکتریکی از داخل سیکلوترون به طرف هدف منحرف می‌گردند.
بیشینه انرژی که در سیکلوترون‌های متعارف و فرکانس ثابت قابل دسترس است حدودMeV۲۵برای پروتن و دوترون، و MeV۵۰برای ذرات آلفا است. شکل میدان الکترواستاتیک در شکاف یا فاصله بین دی‌ها و همچنین طراحی میدان مغناطیسی، سبب یک غیر یک نواختی در لبه‌های بیرونی دی‌ها می‌شوند که این خود باعث یک اثر تمرکزی در باریکه ذرات می‌گردد؛ بنابراین یون‌ها در باریکه درونی با شدت کمتر از ۵/۰ میلی‌آمپر و در باریکه بیرونی ده برابر کمتر جریان می‌یابند. هر قدر انرژی‌های زیاد شود نسبیت جرم هم افزایش میابد؛ لذا بسامد یا میدان مغناطیسی یا هر دو باید به نحوی تغییر کنند که افزایش جرم به خاطر ورود باریکه ذرات به شکاف در یک فاز جبران شوند. این تغییر اولی را با سنکروترون‌ها می‌توان انجام داد.