Was ist eine Picosekunde?
Eine Pikosekunde ist eine Billionstelsekunde. Es ist ein Zeitmaß, das bei Technologien wie Lasern, Mikroprozessoren und anderen elektronischen Bauteilen, die mit extrem hohen Geschwindigkeiten arbeiten, eine Rolle spielt. Die nuklearphysikalische Forschung umfasst auch Messungen, die sich dem Bereich der Pikosekunde nähern, sowie die damit verbundene nuklearmedizinische Bildgebung unter Verwendung der Positronenemissionstomographie (PET).
PCs nähern sich allmählich der Geschwindigkeit, mit der eine einzelne Berechnung in einer Pikosekunde durchgeführt werden kann. Ein Heimcomputer mit einem Mikroprozessor, der mit drei Gigahertz arbeitet, arbeitet mit drei Milliarden Zyklen pro Sekunde. Dies bedeutet, dass es ungefähr 330 Pikosekunden dauert, um eine einzelne Binäroperation auszuführen.
Supercomputer in den USA und in China überschreiten bereits die Geschwindigkeit von Pikosekunden pro Operation. Einer der schnellsten Supercomputer in den USA kann 360 Billionen Operationen pro Sekunde ausführen, was etwas schneller als eine Operation pro Pikosekunde ist. China enthüllte 2010 einen Supercomputer, der 2,5 Petaflops pro Sekunde oder 2,5 Billiarden Operationen pro Sekunde ausführen konnte, was bedeutet, dass pro Pikosekunde 2.500 Berechnungen optimal durchgeführt werden.
Laser, die für den Betrieb im Pikosekundenbereich ausgelegt sind, senden Lichtimpulse im Abstand von einigen zehn Pikosekunden aus. Es gibt verschiedene Arten von Laserkonstruktionen, die bei diesen Geschwindigkeiten arbeiten können, einschließlich Festkörper-Massenlaser, modengekoppelte Faserlaser und gütegeschaltete Laser. Jedes Modell basiert auf der Pikosekunden-Diode, die modenverriegelt oder verstärkungsumgeschaltet werden kann. Dabei werden die Pulsraten von Nanosekundengeschwindigkeiten in Milliardstelsekunden auf mindestens das Zehnfache im Bereich von 100 Pikosekunden geändert.
Obwohl solche ultraschnellen Laser kaum vorstellbar sind, gibt es noch schnellere Modelle. Ein Pikosekundenpulslaser ist 1.000-mal langsamer als ein Femtosekundenlaser. Dies macht Pikosekunden-Designs weniger innovativ und wesentlich wirtschaftlicher für Anwendungen wie die Mikrobearbeitung von Bauteilen. Beide Lasertypen haben ähnliche Leistungen für die Aufgaben, mit denen sie beauftragt sind.
Auf dem Gebiet der Nuklearmedizin baut eine PET-Maschine ein Bild durch Gammastrahlen auf, die mit funkelnden Kristallen interagieren, um Compton-Elektronen mit einer optimalen Geschwindigkeit von etwa 170 Pikosekunden zu erzeugen. In der Realität ist dies normalerweise viel langsamer und dauert ungefähr 1 bis 2 Nanosekunden pro Emissionspartikel. Flugzeit PET (TOFPET) -Forschung versucht, die tatsächliche Flugzeit durch Verbesserungen der Fotodetektoren, der Szintillationskristalle selbst und der zugehörigen Elektronik auf unter 300 Pikosekunden zu reduzieren. Obwohl diese Geschwindigkeitsraten bereits unglaublich hoch sind, ist die Rekonstruktion eines Bildes menschlicher Körperregionen aus diesen Emissionen ein langsamer, zeitaufwändiger Prozess, der oft mehrere Tage in Anspruch nimmt.