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Ein ultrastabiler rauscharmer Stromverstärker

28.11.2014

In der PTB wurde ein neuartiges, handliches Pikoamperemeter für die rückgeführte Messung kleinster Stromstärken auf überragendem Präzisionsniveau entwickelt.

Die präzise Messung von elektrischen Strömen im Bereich von 100 pA gewinnt zunehmend an Bedeutung – nicht nur für die Kalibrierung von Pikoamperemetern für Anwendungen in der Medizintechnik oder in der Halbleiterindustrie, sondern auch für die Grundlagenforschung im Bereich der Stromerzeugung auf Einzelelektronenbasis. Die Genauigkeit herkömmlicher kommerzieller Messgeräte ist dabei auf relative Unsicherheiten von etwa 10-5 beschränkt. Eine neue Geräteentwicklung, die zurzeit an der PTB im Rahmen des EMRP Projekts „Qu-Ampere“ vorangetrieben wird, eröffnet nun neue Messmöglichkeiten auf bisher unerreichtem Präzisionsniveau.

Der „Ultrastable Low-noise Current Amplifier“ (ULCA) basiert auf einem zum Patent angemeldeten neuen Pikoamperemeter-Konzept mit zweistufigem Aufbau: Die erste Stufe realisiert eine 1000-fache Verstärkung des Eingangsstromes, die zweite Stufe eine Strom-zu-Spannung-Wandlung. Der Schaltungsaufbau ermöglicht die Realisierung eines Verstärkungsfaktors höchster Stabilität und Linearität (die effektive Transimpedanz beträgt 1 GΩ). Zudem kann der Verstärkungsfaktor mittels eines Kryostromkomparator-Systems, wie es auch für die elektrische Widerstandsmetrologie in der PTB bereits eingesetzt wird, rückgeführt auf einen Quanten-Hall-Widerstand mit einer relativen Unsicherheit von besser als 10-7 kalibriert werden. Eine hervorragende Stabilität wurde erreicht: Die relativen Schwankungen liegen typischerweise unter 10-7 über einen Tag beziehungsweise unter 10-5 über ein Jahr.

Das handliche Gerät zeichnet sich neben seiner einfachen Einsetzbarkeit durch überragende Verstärkereigenschaften aus: Das sehr niedrige Eingangsstromrauschen von nur 2,4 fA/Hz mit weißem Spektrum bis herab zu sehr tiefen Frequenzen von etwa 1 mHz ermöglicht es somit, einen Strom der Stärke 100 pA innerhalb einer Messzeit von nur zehn Stunden mit einer relativen Unsicherheit von 10-7 rückgeführt zu messen. Damit übertrifft der ULCA die Präzision bislang erhältlicher Pikoamperemeter um das etwa Hundertfache.

Das Gerät erlaubt ebenfalls die rückführbare Erzeugung von kleinen elektrischen Stromstärken und die Kalibrierung von Hochohm-Widerständen mit der gleichen hervorragenden Präzision.

 

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

 

 

 

Ansprechpartner:
D. Drung
Fachbereich 7.2: Kryophysik und Spektrometrie


H. Scherer

Fachbereich 2.6:
 Elektrische Quantenmetrologie