Fortschritte bei der rückführbaren Messung und Erzeugung kleiner elektrischer Stromstärken

Der jüngst in der PTB entwickelte und demnächst kommerziell erhältliche "Ultrastable Low-noise Current Amplifier" (ULCA, siehe auch Forschungsnachricht vom 28.11.2014) ermöglicht die rückführbare Messung und Erzeugung kleiner elektrischer Gleichströme auf überragendem Präzisionsniveau. Das neue Präzisionsinstrument eröffnet damit verbesserte Möglichkeiten in metrologischen Bereichen, in denen Stromstärken im Piko- und Nanoamperebereich eingesetzt werden.

Das nicht-kryogene handliche Instrument basiert auf einem zum Patent angemeldeten Gerätekonzept, dessen Entwicklung im Rahmen des europäischen Joint Research Project "Qu-Ampere" betrieben wurde. Ursprüngliche zielte diese Entwicklung ab auf ein neuartiges rauscharmes Pikoamperemeter, realisiert als zweistufiger Transresistanzverstärker mit einer effektiven Transresistanz von 1 GΩ von überragenden Stabilität und Linearität ("Ultrastable low-noise current amplifier: a novel device for measuring small electric currents with high accuracy", D. Drung, C. Krause, U. Becker, H. Scherer, F. J. Ahlers, Rev. Sci. Instrum. 86, 024703 (2015)). Der ULCA erlaubt jedoch darüber hinaus die rückführbare Erzeugung von kleinen elektrischen Stromstärken und die Kalibrierung von hohen Widerständen.

Zentrales Element für die Kalibrierung des ULCA bildet ein ebenfalls in der PTB neu entwickelter, binär aufgebauter Kryo-Stromkomparator (Cryogenic Current Comparator, CCC). Dieser ermöglicht die rückführbare Kalibrierung des ULCA mit einer relativen Unsicherheit von weniger als einem Teil in 10 Millionen. Zusammen mit der sehr hohen Stabilität der ULCA-Transresistanz gegenüber Zeit, Temperatur und Stromamplitude innerhalb des Dynamikbereichs von ±5 nA wird damit sowohl die Messung als auch die Erzeugung von Gleichströmen mit überragender Präzision möglich: Ein 100 pA Gleichstrom zum Beispiel kann innerhalb von 10 Stunden mit einer Unsicherheit von einem Teil in 10 Millionen gemessen werden.

Die Charakterisierung des neuen CCC-Systems, die Einsatzmöglichkeiten des ULCA und die dadurch möglich werdenden Verbesserungen im Bereich der Metrologie kleiner elektrischer Ströme standen im Fokus einer nun zur Veröffentlichung angenommenen Studie ("Improving the traceable measurement and generation of small direct currents", D. Drung, M. Götz, E. Pesel, H. Scherer, akzeptiert bei IEEE Trans. Instr. Meas. (2015)).

Es ist absehbar, dass der ULCA und das zur Kalibrierung eingesetzte CCC-System zentrale Komponenten in den Rückführungsketten der PTB für kleine Gleichströme und Hochohm-Widerstände werden.
 

Bild 1: Zweikanaliger ULCA-Prototyp (Frontansicht des Gehäuses mit SMA-Anschlüssen)

Bild 2: 14-bit CCC-System für die Kalibrierung des ULCA