این موضوع حاکی از آن است که در یک میدان همگن، فرکانس مداری با انرژی افت می‌کند. با افزایش انرژی، پروتون‌ها سرعت را با ولتاژ شتاب‌دهنده از دست می‌دهند و دیگر شتاب نمی‌گیرند. تا اواخر دهۀ ۱۹۵۰، روشی که پروتون‌ها را در سیکلوترون تا انرژی‌های بالای MeV30 شتاب می‌داد، هماهنگی RF با شعاع مدار پروتون بود. روشی که در طراحی‌های اخیر در سینکروسیکلوترون‌های با انرژی بالا و کم‌حجم به‌کارگرفته شده است [^[۱۹۷]]. در این سیستم‌ها، با مدولاسیون RF ( RF باید هم‌زمانی بسامد را با افزایش جرم مدوله کند.)، پرتو از سینکروسیکلوترون با آهنگ تکرار kHz1 به‌صورت پالسی خارج می‌شود. روش دیگری که در سیکلوترون‌های جدیدتر مورد استفاده قرار می‌گیرد، افزایش میدان مغناطیسی با افزایش شعاع است تا با اثرات نسبیتی هماهنگ باشد:

(۳‑۵)

در معادلۀ (۳‑۵)، قدرت میدان مغناطیسی مورد نیاز است، زمانی‌که از اثرات نسبیتی صرف‌نظر می‌شود. به‌عنوان مثال قدرت میدان مغناطیسی در سیکلوترون MeV250 در PSI [^[198]] و سیکلوترون MeV230 در IBA [^[199]] به‌صورت تابعی از شعاع در شکل ۳-۱ آمده است. با چنین روشی، پروتون‌ها سرعت را با سیگنال RF از دست نمی‌دهند و پرتو CW باقی می‌ماند.
شکل ۳-۱٫ میانگین میدان مغناطیسی به‌صورت تابعی از شعاع مدار پروتون
در سیکلوترون IBA (بالا) [۱۰۳] و سیکلوترون PSI (پایین) [۱۰۲]

۳-۲-۳- چشمۀ پروتونی

در حال حاضر تمام سیکلوترون‌ها با منبع پروتونی در مرکز سیستم تجهیز می‌شوند. چشمۀ یونی شامل دو کاتد در ولتاژ منفی چند کیلوولتی است که درانتهای استوانۀ توخالی عمودی با پتانسیل پایه، قرار داده شده است و داخل آن گاز H₂ وارد می‌شود (در حدود ). یونیزاسیون گاز توسط الکترون‌های پرانرژی در اثر تخلیۀ الکتریکی صورت می‌گیرد. الکترون‌های آزاد به‌وسیلۀ گرمای رشته‌ای و یا به‌وسیلۀ انتشار خودبه‌خودی از کاتد در میدان قوی الکتریکی بین کاتد و پایه ایجاد می‌شوند. در این میدان، الکترون‌ها شتاب داده می‌شوند و گاز را یونیزه می‌کنند. این الکترون‌ها درطول خطوط میدان مغناطیسی و بین کاتدها حرکت می‌کنند و بنابراین یونیزاسیون گاز افزایش می‌یابد. یون‌های H⁺، H₂⁺ و H^- و الکترون‌ها، پلاسمایی را شکل می‌دهند. از آنجایی که پلاسما یک رسانای الکتریکی است، میدان الکتریکی خارجی در آن نفوذ می‌کند. هرچند پروتون‌ها و سایر یون‌هایی که منتشر می‌شوند، تحت تأثیر میدان الکتریکی نزدیک‌ترین الکترود قرار می‌گیرند. زمانی‌که الکترود در پتانسیل منفی است، پروتون‌هایی که از پلاسما فرار کرده‌اند، به‌طرف الکترود شتاب خواهند گرفت و فرایند شتاب‌دهی پروتون‌ها آغاز می‌شود. شکل ۳-۲ نمای کلی از چشمۀ پروتونی که در یک سیکلوترون مورد استفاده قرار می‌گیرد را نشان می‌دهد [۴].

شکل ۳-۲٫ شکل شماتیک از چشمۀ یونی مورد استفاده در یک سیکلوترون [۴]

۳-۲-۴- معرفی پارامترهای مرتبط با فرایند درمان در پروتون‌تراپی برای یک سیکلوترون

برای آن‌که یک شتاب‌دهنده عملکردی مناسب در درمان بیماران داشته باشد، لازم است، درک درستی از پارامترهای مرتبط با درمان و آستانۀ قابل قبول برای آن‌ها داشته باشیم. به‌طورکلی برد در بیمار و نیز آهنگ دوز، مرتبط با پارامترهایی از سیکلوترون به شرح زیر می‌باشند:
سیستم RF
بازده خروجی
بازده سیستم انتخاب انرژی
چشمۀ یونی
به‌منظور تولید آهنگ دوز دلخواه، لازم است که پرتو خروجی از شتاب‌دهنده، جریان حداقلی nA 300 داشته باشد. برای تولید جریان مناسب برای آهنگ دوز مورد نیاز در بیمار، تنظیمات مناسب چشمۀ یونی لازم است. پارامترهایی که در این تنظیمات اثرگذار هستند، طول عمر چشمه، ولتاژ و فرکانس RF، توان RF و… می‌باشند؛ بنابراین کالیبراسیون دستگاه زمانی که از سیکلوترون استفاده نمی‌شود، ضروری است. این کار هر چند دقیقه تا هر نیم ساعت، به‌منظور آن‌که افت‌وخیزهای این پارامترها را مورد قبول نگه دارد، انجام می‌شود. باید خاطر نشان کرد که بازده خروجی اولیه، به‌علت وجود تشدیدهای مختلف در شتاب‌دهندۀ سیکلوترونی، خیلی پایین است. با اصلاحات میدان مغناطیسی و تنظیمات دقیق، می‌توان به بازده خروجی در حدود ۲۵% دست یافت که به‌طور میانگین بین ۲۰% تا ۲۵% در تغییر است. البته برخی از شتاب‌دهنده‌های سیکلوترونی نظیر سیکلوترون IBA با برطرف کردن مشکلات مربوط به تشدید در طراحی، به بازده خروجی بالاتر دست یافته‌اند [^[۲۰۰]]. با داشتن خروجی CW از شتاب‌دهندۀ سیکلوترونی و نیز کنترل چشمۀ یونی، می‌توان جریان خروجی قابل تغییر را برای سیستم پراکندگی کنش‌پذیر و نیز سیستم اسکن با مدولاسیون شدت، تولید کرد.
یکی دیگر از پارامترهای مهم در تنظیم آهنگ دوز و برد پرتو فرودی، بازده سیستم انتخاب انرژی است. شکل ۳-۳، بازده سیستم انتخاب انرژی را برحسب برد پروتون، در ورودی نازل مربوط به شتاب‌دهندۀ سیکلوترونی IBA با انرژی اولیۀ MeV230 نشان می‌دهد [۱۰۴]. در این سیستم، کاهندۀ انرژی از جنس گرافیت، جهت اصلاح انرژی پرتو مورد استفاده قرار گرفته است و همان‌طور که دیده می‌شود با کاهش هرچه بیشتر انرژی پرتو اولیه، با بازده کمتری برای دست‌یابی به برد مورد نظر در بیمار، مواجه هستیم. به‌طورکلی کنترل پارامترهای مرتبط با سیکلوترون و هماهنگی آن‌ها با پارامترهای مورد نیاز در پروتون‌تراپی، امری ضروری جهت دست‌یابی به نتیجۀ مطلوب در درمان می‌باشد.
شکل ۳-۳٫ بازده سیستم انتخاب انرژی مربوط به سیکلوترون IBA برحسب برد پروتون‌های ورودی به نازل [۱۰۴]

۳-۲-۵- معرفی پارامترهای توصیف‌کنندۀ مشخصات تعدادی از شتاب‌دهنده‌های سیکلوترونی

در جدول ۳-۱، تعدادی از پارامترهای فیزیکی مربوط به سیکلوترون‌های C-235 در IBA، C-250 در ACCEL، C-190 و C-200 در JINR LNP که در پروتون‌تراپی مورد استفاده قرار می‌گیرند، آمده است [^[۲۰۱]]. این شتاب‌دهنده‌ها در میدان مغناطیسی به‌کار گرفته شده و پارامترهای فنی از جمله اندازه و فناوری ساخت و نیز شرایط اجرایی و انرژی مصرفی با یکدیگر تفاوت‌هایی دارند.
جدول ‏۰۳‑۱٫ بخشی از پارامترهای اصلی و توصیف‌کنندۀ مشخصات فیزیکی شتاب‌دهنده
برای تعدادی از سیکلوترون‌ها در IBA، ACCEL و JINR LNP [105]

پارامترها
C-235
(IBA)
C-250
(ACCEL)
C-190
(JINR LNP)
C-200
(JINR LNP)

انرژی پروتون (MeV)