Sub-ppm-Validierung der ULCA-Kalibrierung mit einem Digitalmultimeter

Die bestmögliche Kalibrierung der Transresistanz eines Ultrastable Low-noise Current Amplifier (ULCA) ist aufwändig, da hierzu ein Kryo-Stromkomparator benötigt wird. Hat man jedoch einen gut bekannten, kalibrierten ULCA als Referenz zur Verfügung, so lässt sich die Kalibrierung eines weiteren ULCA auf einfache Weise mit einem Digitalmultimeter validieren.

Für die Durchführung der Validierung wird der Referenz-ULCA als Stromquelle genutzt und der zu überprüfende ULCA als Messgerät. Die Ausgangsspannungen der ULCAs werden mit einem Digitalmultimeter (DMM) gemessen, das bevorzugter Weise über zwei separate Eingänge verfügt und welches ein Spannungsverhältnis direkt anzeigen kann. Da die Ausgangsspannungen beider ULCAs von der gleichen Größenordnung sind (typisch 5 V), können die beiden Spannungen im selben Messbereich des DMM gemessen werden. Für die Messunsicherheit ist somit nur die Linearität des DMM von Bedeutung, die im relevanten Messbereich typischerweise besser als 0,1·10^-6 (relativ) ist.

In einem Versuch wurde auf diese Weise die Transresistanz des neuen ULCA eines Kunden mit der Transresistanz eines bekannten ULCA der PTB verglichen. Der Referenz-ULCA wurde als Stromquelle mit 5 nA Ausgangsstrom betrieben, der Kunden-ULCA als Messgerät für 5 nA Eingangsstrom im so genannten „Normalmode“. Mit dem Digitalmultimeter wurde das Verhältnis der Ausgangsspannungen der beiden ULCAs für die positive und die negative Stromrichtung bestimmt (Spannungsverhältnisse I+ bzw. für I- in der Tabelle). Hieraus ergibt sich der Zahlenwert des Verhältnisses ATR-val der zu validierenden Transresistanzwerte. Aus den mittels Kryo-Stromkomparator bestimmten Kalibrierwerten des Referenz- und des neuen ULCAs (ATR-ref und ATR-neu) wird dann ebenfalls das Verhältnis der Transresistanzwerte ATR-kal berechnet. Die in der Tabelle zusammengestellten Zahlenwerte zeigen, dass die Ergebnisse für beide Kalibrierverfahren innerhalb der kombinierten erweiterten Messunsicherheit von U= 0,6·10^-6 übereinstimmen.

Die hier beschriebene Methode bietet sich als Alternative zur Kalibrierung des ULCA mit dem Kryo-Stromkomparator an, wenn die Anforderung an die Messunsicherheit für den ULCA nur einige 10^-6 beträgt.

Bild: Ultrastable Low-noise Current Amplifier (ULCA Typ 1) des Herstellers Firma Magnicon.

 Tabelle: Zusammenstellung der Ergebnisse aus der Validierungsuntersuchung.

Fachbereich 2.1 „Gleichstrom und Niederfrequenz“