加速器物理/單位

單位

大多數情況下，加速器物理使用SI單位來描述其屬性。最著名的例外情況是

1. 粒子能量、動量和質量
2. 磁通密度

粒子能量

為了方便起見，加速器物理學家希望透過測量粒子穿過距離之間的電位差來了解粒子的動能。電子（或具有相同電荷的粒子）在穿過+1伏特的電位差後，動能增加1 eV。因此，$1\ \mathrm {eV} \approx 1.6021\times 10^{-19}\ \mathrm {joules}$

現代加速裝置可以在間隙之間產生非常大的電位差。因此，單位也相應地進行了調整，使得

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

例如，μ子對撞機設計中$\mu ^{+}$和$\mu ^{-}$束的質心能量可以達到6 TeV。固定靶中微子實驗LBNF使用120 GeV的質子打靶(POT)。

粒子動量和質量

粒子的總能量是其靜止能量和動能之和：$E_{tot}=E_{0}+E_{kin}$。靜止能量 $E_{0}$ 定義為 $E_{0}=mc^{2}$，其中 $m$ 是粒子的質量，$c$ 是光速。此後，粒子質量，而不是使用標準單位 kg，通常使用單位 $\mathrm {eV/c^{2}}$：$1\ \mathrm {eV/c^{2}} \approx 1.783\times 10^{-36}kg$。

例如，電子的質量為 $9.11\times 10^{-31}$kg，或 $0.511\ \mathrm {MeV/c^{2}} =5.11\times 10^{5}\mathrm {eV/c^{2}}$。為了獲得一個電子靜止能量的動能，必須在0.511 MV的電勢差中加速它！

關於粒子動量，物理學家常用 $\mathrm {eV/c}$ 作為單位，因為愛因斯坦方程 $E_{tot}^{2}=m^{2}c^{4}+c^{2}p^{2}$。因此，可以計算出上述電子的動量如下

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

磁通密度

磁通密度的SI單位是$B$，即$\mathrm {T}$，或特斯拉。在許多情況下，科學家也使用高斯，其中$1\ \mathrm {kGauss} =10^{3}\ \mathrm {Gauss} =10^{-1}\ \mathrm {T} .$