Präzise Erzeugung ultrakleiner Ströme

Die Messung kleiner Stromstärken wird in vielen Bereichen, etwa in der Halbleiterindustrie oder in der medizinischen Messtechnik, immer wichtiger. Zum Beispiel werden in der medizinischen Strahlendiagnostik und -therapie zur Messung der Strahlenbelastung üblicherweise Dosimeter verwendet, die die Ionisation eines Gases ausnutzen. Dabei werden sehr kleine Ströme im pA-Bereich gemessen. Die Genauigkeit der Messung ist für eine genaue Festlegung der Dosis entscheidend.

Für die Überprüfung und Kalibrierung solcher Dosimeter und anderer Pikoamperemeter benötigt man Normalstromquellen, die mit hoher Genauigkeit über einen langen Zeitraum konstante kleine Stromstärken liefern. Eine wichtige Methode für die Erzeugung sehr kleiner Stromstärken beruht auf dem Laden bzw. Entladen eines Kondensators. Legt man an einen Kondensator mit der Kapazität C eine zeitlich linear ansteigende bzw. fallende Spannung dU/dt an, so fließt ein Strom I = C · dU/dt. Durch Messung der Kapazität und der zeitlichen Ableitung der Spannung lässt sich der erzeugte Strom auf die Einheiten der Kapazität, der Spannung und der Zeit zurückführen.

In der PTB wurde eine neue Stromquelle dieses Typs für höchste Genauigkeiten entwickelt und gebaut. Um auch solche Messgeräte kalibrieren zu können, die über lange Zeiten mitteln, wurde ein Spannungsrampengenerator entwickelt, der auf einem elektronischen Integrator basiert. Er erlaubt kontinuierliche Messzeiten von bis zu 35 Minuten, wobei die relative Schwankung der Spannungsrampe unter 1 · 10^-5 bleibt.

Mit dem neuen Gerät lassen sich beliebige Stromstärken von 10 pA bis herab zu 0,1 fA erzeugen. Die Unsicherheit beträgt bei 1 pA nur 0,01 % und bei 10 fA immer noch 0,05 %.

Zurzeit wird diese Kalibriertechnik an einen namhaften deutschen Hersteller von Dosimetern transferiert. Eine noch größere wirtschaftliche Bedeutung kann die Methode in der Halbleiterindustrie erlangen. Hier gehört die Messung kleinster Ströme im fA-Bereich, die als unerwünschte Leckströme in den Zellen moderner Speicherbauelemente auftreten, zu den typischen Anforderungen an ein modernes Pikoamperemeter. Die Kalibrierung solcher Geräte ist mit dem neuen Verfahren zuverlässiger und genauer geworden.