Pour pouvoir agir sur des particules, celles-ci doivent être chargées. Un champ électrique E permet de changer la vitesse des particules (accélérer ou ralentir) ; un champ magnétique B permet de changer la direction des particules. Un cyclotron utilise ces deux propriétés pour délivrer des particules à haute énergie (jusqu’à quelques centaines de MeV) tout en conservant un dispositif à taille humaine (quelques mètres de diamètre).

Son principe : on tourne, on accélère, on tourne, on accélère … Le champ magnétique est obtenu grâce à un gros électro-aimant et fait faire un demi-tour à la particule. Ainsi, la particule à accélérer repasse plusieurs fois entre les électrodes entre lesquelles est appliqué le champ électrique. A chaque passage la particule est accélérée. Le rayon du demi-cercle de la trajectoire dépend de la vitesse des particules. Comme il augmente avec la vitesse, la trajectoire de la particule à l’intérieur du cyclotron est une spirale.

Placée dans un champ magnétique uniforme,
une particule chargée dont la vitesse est
initialement dans une direction perpendiculaire
au champ, décrit une trajectoire circulaire dont
le rayon est d’autant plus grand que la particule
a une impulsion élevée et d’autant plus petit que
le champ est intense. On peut montrer que la
période du mouvement circulaire, c’est-à-dire le
temps mis pour faire un tour, est indépendante
de la vitesse de la particule et du rayon de la
trajectoire. Elle est uniquement déterminée par
la valeur du champ magnétique appliqué.

L’extraction des particules : elle dépend de la charge des particules que l’on accélère.

• Lorsque les particules sont chargées négativement (ajout d’électrons) comme par exemple H- (proton) ou D- (deuton), on utilise la technique de l’épluchage. On place sur la trajectoire une feuille mince de carbone qui va enlever les électrons présents autour de la particule. La particule devient alors chargée positivement et la présence du champ magnétique courbe la trajectoire dans l’autre sens provoquant la sortie de la particule du cyclotron. Avec cette technique, on peut facilement moduler l’énergie des particules que l’on extrait en plaçant la feuille plus ou moins près du centre de la machine (pour ARRONAX, l’énergie des protons peut varier entre 30 MeV et 70 MeV).
• Lorsque les particules sont chargées positivement (ionisation) comme par exemple H+ ou He++, l’extraction a lieu en périphérie (la trajectoire atteint le rayon maximum). Les particules sont défléchies à l’aide d’un dispositif électromagnétique appelé septum.

Les particules extraites sont ensuite guidées dans les lignes faisceaux jusqu’à la cible à irradier.