мини|alt=Човек стоји испред објекта у облику слова Ц, дупло већег од њега.|Алфа калутрон резервоар извађен из магнета ради екстракције уранијума-235 мини|alt=Велика структура овалног облика|Алфа I магнет, назван „Тркачка стаза”. Калутрони су смештени око прстена.
Калутрон је масени спектрометар првобитно пројектован и коришћен за раздвајање изотопа уранијума. Развио га је Ернест Лоренс током пројекта Менхетн на основу свог ранијег изума, циклотрона. Назив је изведен од енглеског California University Cyclotron, као признање Лоренсовој институцији, Универзитету Калифорније, где је изумљен. Калутрони су коришћени у индустријском постројењу за обогаћивање уранијума Y-12 у оквиру Клинтонских инжењерских постројења у Оук Риџу, Тенеси. Обогаћени уранијум произведен тамо коришћен је у атомској бомби „Малиша” која је детонирана над Хирошимом 6. августа 1945.
Калутрон је тип секторског масеног спектрометра, инструмента у коме се узорак јонизује, а затим убрзава електричним пољима и скреће магнетним пољима. Јони на крају ударају у плочу и стварају мерљиву електричну струју. Пошто јони различитих изотопа имају исто наелектрисање, али различите масе, тежи изотопи мање скрећу под утицајем магнетног поља, што доводи до раздвајања снопа честица у неколико снопова према маси, који ударају у плочу на различитим местима. Маса јона може се израчунати на основу јачине поља и наелектрисања јона. Током Другог светског рата, калутрони су развијени да примене овај принцип за добијање значајних количина високо чистог уранијума-235, користећи малу разлику у маси између изотопа уранијума.
Електромагнетно раздвајање за обогаћивање уранијума напуштено је у послератном периоду у корист компликованије, али ефикасније методе гасне дифузије. Иако је већина калутрона из пројекта Менхетн демонтирана крајем рата, неки су остали у употреби за производњу изотопски обогаћених узорака природних елемената у војне, научне и медицинске сврхе.
Порекло Вест о открићу нуклеарне фисије од стране немачких хемичара Ота Хана и Фрица Штрасмана 1938. године, и њено теоријско објашњење од стране Лизе Мајтнер и Ота Фриша, донео је у Сједињене Државе Нилс Бор. На основу свог модела капи атомског језгра, теоретисао је да је изотоп уранијум-235, а не много заступљенији уранијум-238, првенствено одговоран за фисију термалним неутронима. Да би то проверио, Алфред О. К. Нир са Универзитета Минесота је у априлу 1940. употребио масени спектрометар да створи микроскопску количину обогаћеног уранијума-235. Џон Р. Данинг, Аристид фон Гросе и Јуџин Т. Бут су затим потврдили да је Бор био у праву. Лео Силард и Волтер Зин убрзо су потврдили да се по фисији ослобађа више од једног неутрона, што је учинило готово извесним да се може покренути нуклеарна ланчана реакција, а самим тим и да је развој атомске бомбе теоријски могућ. Постојао је страх да би немачки пројекат атомске бомбе могао први развити бомбу, посебно међу научницима који су били избеглице из нацистичке Немачке и других фашистичких земаља.
мини|лево|упригхт=1.5|алт=Дијаграм који приказује извор, сноп честица скренут за 180° и ухваћен у колектору|Дијаграм раздвајања изотопа уранијума у калутрону На Универзитету у Бирмингему у Британији, аустралијски физичар Марк Олифант доделио је двојици физичара избеглица — Оту Фришу и Рудолфу Пајерлсу — задатак да истраже изводљивост атомске бомбе, иронично зато што им је статус непријатељских странаца онемогућавао рад на тајним пројектима попут радара. Њихов Фриш–Пајерлсов меморандум из марта 1940. указивао је да је критична маса уранијума-235 унутар реда величине 10 кг, што је било довољно мало да га носи бомбардер тог времена. Британски Комитет Мод једногласно је препоручио наставак развоја атомске бомбе. Британија је понудила да Сједињеним Државама омогући приступ својим научним истраживањима, па је Џон Кокрофт из Тизардове мисије обавестио америчке научнике о британским достигнућима. Открио је да је амерички пројекат био мањи од британског и не толико напредан.
Разочарани Олифант отпутовао је у Сједињене Државе да разговара са америчким научницима. Међу њима је био и Ернест Лоренс са Универзитета Калифорније у Радијационој лабораторији у Берклију. Двојица људи су се упознала пре рата и били су пријатељи. Лоренс је био довољно импресиониран да започне сопствено истраживање уранијума. Уранијум-235 чини само око 0,72% природног уранијума, тако да фактор раздвајања сваког процеса обогаћивања уранијума треба да буде већи од 125 да би се из природног уранијума добило 90% уранијума-235. Комитет Мод је препоручио да се то уради процесом гасне дифузије, али је Олифант 1934. године пионирски започео другу технику: електромагнетно раздвајање. То је био процес који је користио Нир.
Принцип електромагнетног раздвајања је да наелектрисане јоне скреће магнетно поље, при чему се лакши јони скрећу више од тежих. Разлог због којег су Комитет Мод, а касније и његов амерички пандан, Секција S-1 Канцеларије за научна истраживања и развој (OSRD), занемарили електромагнетну методу, био је тај што је масени спектрометар, иако способан да раздваја изотопе, давао веома ниске приносе. Разлог томе било је ограничење просторног наелектрисања. Позитивни јони имају позитивно наелектрисање, па теже да се међусобно одбијају, што узрокује расипање снопа. На основу свог искуства са прецизном контролом снопова наелектрисаних честица током рада на свом изуму, циклотрону, Лоренс је претпоставио да би молекули ваздуха у вакуумској комори неутралисали јоне и створили фокусирани сноп. Олифант је инспирисао Лоренса да претвори свој стари циклотрон од 37 инча у џиновски масени спектрометар за изотопско раздвајање.
мини|alt=Четири човека у оделима сагнута су над делом машине.|Френк Опенхајмер (у средини десно) и Роберт Торнтон (десно) испитују емитер са 4 извора за побољшани Алфа калутрон. Циклотрон од 37 инча у Берклију демонтиран је 24. новембра 1941, а његов магнет је искоришћен за изградњу првог калутрона. Његово име настало је од енглеских речи California University и cyclotron. Рад је првобитно финансирала Радијациона лабораторија из сопствених средстава, уз грант од 5.000 долара од Research Corporation. У децембру, Лоренс је добио грант од 400.000 долара од Комитета за уранијум S-1. Калутрон се састојао од извора јона, у облику кутије са прорезом и ужареним влакнима унутра. Уранијум тетрахлорид је јонизован влакнима, а затим пропуштен кроз отвор димензија 0,04 са 2инча у вакуумску комору. Магнет је затим коришћен да скрене јонски сноп за 180°. Обогаћени и осиромашени снопови одлазили су у колекторе.
Када је калутрон први пут пуштен у рад 2. децембра 1941, само неколико дана пре јапанског напада на Перл Харбор који је увео Сједињене Државе у Други светски рат, колектор је забележио интензитет снопа уранијума од 5 микроампера (μA). Лоренсова претпоставка о утицају молекула ваздуха у вакуумској комори била је потврђена. Деветосатни рад 14. јануара 1942. са снопом од 50 μA произвео је 18 микрограма (μg) уранијума обогаћеног на 25% уранијума-235, око десет пута више него што је Нир произвео. До фебруара, побољшања у техници омогућила су генерисање снопа од 1.400 μA. Тог месеца, узорци од 75 μg обогаћени на 30% послати су Британцима и Металуршкој лабораторији у Чикагу.
И други истраживачи су истраживали електромагнетно раздвајање изотопа. На Универзитету Принстон, група коју су предводили Хенри Д. Смит и Роберт Р. Вилсон развила је уређај познат као изотрон. Користећи клистрон, успели су да раздвоје изотопе високонапонском електричном енергијом уместо магнетизмом. Рад је настављен до фебруара 1943, када је, због већег успеха калутрона, обустављен, а тим пребачен на друге дужности. На Универзитету Корнел, група под вођством Лојда П. Смита, у којој су били Вилијам Е. Паркинс и А. Теодор Форестер, осмислила је радијални магнетни сепаратор. Били су изненађени када су приметили да су им снопови прецизнији него што се очекивало, и, као и Лоренс, закључили да је то резултат стабилизације снопа ваздухом у вакуумској комори. У фебруару 1942. њихов тим је обједињен са Лоренсовим у Берклију.
Истраживање Иако је процес доказано функционисао, било је потребно уложити значајан напор пре него што се прототип могао тестирати на терену. Лоренс је окупио тим физичара да се позабави проблемима, укључујући Дејвида Бома, Едварда Кондона, Доналда Куксија, А. Теодора Форестера, Ирвинга Лангмјура, Кенета Роса Макензија, Френка Опенхајмера, Џ. Роберта Опенхајмера, Вилијама Е. Паркинса, Бернарда Питерса и Џозефа Слепијана. У новембру 1943. придружила им се британска мисија предвођена Олифантом, која је укључивала колеге аустралијске физичаре Харија Масија и Ерика Баропа, и британске физичаре попут Џоан Каран и Томаса Алибона.
мини|лево|alt=Веома велика зграда са необичном конструкцијом. Степенице воде до њених делова.|Развојна јединица XAX у Оук Риџу коришћена је за истраживање, развој и обуку. Лоренс је у Берклију градио велики циклотрон са магнетом од . Он је претворен у калутрон који је први пут укључен 26. маја 1942. Као и верзија од 37 инча, изгледао је као џиновско слово Ц када се гледа одозго. Оператер је седео на отвореном крају, одакле се могла регулисати температура, подешавати положај електрода, па чак и замењивати компоненте кроз ваздушну комору док је радио. Нови, моћнији калутрон није коришћен за производњу обогаћеног уранијума, већ за експерименте са више јонских извора. То је значило имати више колектора, али је умножавало проток.
Проблем је био у томе што су снопови ометали једни друге, стварајући низ осцилација званих хаш. Осмишљен је распоред који је минимизирао интерференцију, што је резултирало производњом прилично добрих снопова у септембру 1942. Роберт Опенхајмер и Стен Френкел изумели су магнетни подметач, уређај који се користи за подешавање хомогености магнетног поља. То су били листови гвожђа ширине око који су причвршћивани за горњи и доњи део вакуумског резервоара. Ефекат подметача био је благо повећање магнетног поља на начин који је помагао фокусирању јонског снопа. Рад на подметачима наставио се током 1943. године. Главни патенти за калутрон били су Methods of and apparatus for separating materials (Лоренс), Magnetic shims (Опенхајмер и Френкел), и Calutron system (Лоренс).
Бароп и Бом су касније проучавали карактеристике електричних пражњења у магнетним пољима, данас познате као Бомова дифузија. Њихови радови о особинама плазме под магнетним затварањем нашли су примену у послератним истраживањима контролисане нуклеарне фузије. Други технички проблеми били су приземнији, али не мање важни. Иако су снопови имали низак интензитет, могли су, током много сати рада, истопити колекторе. Због тога је додат систем воденог хлађења за колекторе и облогу резервоара. Развијене су процедуре за чишћење „љуштуре” која се кондензовала унутар вакуумског резервоара. Посебан проблем било је зачепљење прореза „талогом”, што је узроковало да јонски снопови губе фокус или потпуно стану.
Хемичари су морали да пронађу начин за производњу количина уранијум тетрахлорида () из уранијум оксида. (Нир је користио уранијум бромид.) У почетку су га производили користећи водоник за редукцију уранијум триоксида () у уранијум диоксид (), који је затим реаговао са угљен тетрахлоридом () да би се добио уранијум тетрахлорид. Чарлс А. Краус предложио је бољу методу за велику производњу која је укључивала реакцију уранијум оксида са угљен тетрахлоридом на високој температури и притиску. То је производило уранијум пентахлорид () и фозген (). Иако ни приближно тако отрован као уранијум хексафлуорид који се користи у процесу гасне дифузије, уранијум тетрахлорид је хигроскопан, па се с њим радило у рукавичарским коморама које су одржаване сувим помоћу фосфор пентоксида (). Присуство фозгена, смртоносног гаса одговорног за 85.000 смрти као хемијског оружја током Првог светског рата, захтевало је да хемичари носе гас-маске при руковању с њим.