加速器物理/单位

单位

大多数情况下，加速器物理使用SI单位来描述其属性。最著名的例外情况是

1. 粒子能量、动量和质量
2. 磁通密度

粒子能量

为了方便起见，加速器物理学家希望通过测量粒子穿过距离之间的电位差来了解粒子的动能。电子（或具有相同电荷的粒子）在穿过+1伏特的电位差后，动能增加1 eV。因此，$1\ \mathrm {eV} \approx 1.6021\times 10^{-19}\ \mathrm {joules}$

现代加速装置可以在间隙之间产生非常大的电位差。因此，单位也相应地进行了调整，使得

$1\ \mathrm {TeV} =10^{3}\ \mathrm {GeV} =10^{6}\ \mathrm {MeV} =10^{9}\ \mathrm {keV} =10^{12}\ \mathrm {eV}$

例如，μ子对撞机设计中$\mu ^{+}$和$\mu ^{-}$束的质心能量可以达到6 TeV。固定靶中微子实验LBNF使用120 GeV的质子打靶(POT)。

粒子动量和质量

粒子的总能量是其静止能量和动能之和：$E_{tot}=E_{0}+E_{kin}$。静止能量 $E_{0}$ 定义为 $E_{0}=mc^{2}$，其中 $m$ 是粒子的质量，$c$ 是光速。此后，粒子质量，而不是使用标准单位 kg，通常使用单位 $\mathrm {eV/c^{2}}$：$1\ \mathrm {eV/c^{2}} \approx 1.783\times 10^{-36}kg$。

例如，电子的质量为 $9.11\times 10^{-31}$kg，或 $0.511\ \mathrm {MeV/c^{2}} =5.11\times 10^{5}\mathrm {eV/c^{2}}$。为了获得一个电子静止能量的动能，必须在0.511 MV的电势差中加速它！

关于粒子动量，物理学家常用 $\mathrm {eV/c}$ 作为单位，因为爱因斯坦方程 $E_{tot}^{2}=m^{2}c^{4}+c^{2}p^{2}$。因此，可以计算出上述电子的动量如下

$p={\sqrt {(2\times 0.511)^{2}-0.511^{2}\ \ \ \mathrm {MeV^{2}/c^{2}} }}=0.885\ \mathrm {MeV/c}$

磁通密度

磁通密度的SI单位是$B$，即$\mathrm {T}$，或特斯拉。在许多情况下，科学家也使用高斯，其中$1\ \mathrm {kGauss} =10^{3}\ \mathrm {Gauss} =10^{-1}\ \mathrm {T} .$