Kryo-Stromkomparatoren (von griech. cryor = Frost, Eis, sowie lat. comparare = vergleichen) werden in der elektrischen Messtechnik verwendet, um Verhältnisse zweier elektrischer Stromstärken mit höchster Präzision zu vergleichen. Dies ist beispielsweise notwendig für hochpräzise Messungen von Widerständen, oder zur Verstärkung oder Messung kleiner Stromstärken.
Ein Kryo-Stromkomparator kann beschrieben werden als idealer Gleichstrom-Transformator. Das Funktionsprinzip beruht auf der Nutzung des Meißner-Ochsenfeld-Effekts in einer supraleitenden Abschirmung, welche stromführende Spulen unterschiedlicher Windungszahlen umschließt, sowie auf der Verwendung eines SQUID (engl. Superconducting Quantum Interference Device) als Magnetfeld-Nulldetektor in der Nähe dieser Abschirmung. Beides basiert auf Effekten der Supraleitung und erfordert daher den Betrieb bei sehr tiefen Temperaturen, typischerweise in einem Bad flüssigen Heliums (4 Kelvin). Für den Betrieb von Kryo-Stromkomparatoren in Widerstandsmessbrücken werden spezielle synchronisierte Stromquellen benötigt.
Die Arbeitsgruppe betreibt maßgebliche technische Weiterentwicklungen auf diesen Gebieten.
Entsprechende Systeme werden, lizensiert von der PTB, durch Fa. Magnicon GmbH (Hamburg) hergestellt und vertrieben.
Prinzip des Kryo-Stromkomparators als idealer Gleichstrom-Transformator: Die Verwendung von Spulen mit unterschiedlichen Windungszahlen (rot, blau) innerhalb der supraleitenden Abschirmung (grau) ermöglicht die Realisierung von Stromstärkeverhältnissen. Die Ströme I1/2 in den Spulen bewirken das Fließen eines Abschirmstroms in der supraleitenden Abschirmung, was wiederum ein äußeres Magnetfeld Bext hervorruft. Der Abschirmstrom bzw. das äußere Magnetfeld sind gemäß dem Durchflutungsgesetz proportional zu I1.N1 - I2.N2. Bei Durchflutungsgleichgewicht, d.h. wenn für die Stromstärken entsprechend der Windungszahlen des Spulensystems I1/I2 = N2/N1 gilt, verschwindet das Magnetfeld, was mit dem SQUID-Detektor (Magnetometer) sehr empfindlich nachgewiesen wird.
Foto eines in der Arbeitsgruppe entwickelten Kryo-Stromkomparator-Systems. Der eigentliche Komparator-Torus mit insgesamt über 18 000 Windungen inklusive des SQUIDs befindet sich in dem zylindrischen Abschirmbehälter (Vordergrund), welcher zum Betrieb in ein Gefäß mit Flüssighelium (Hintergrund rechts) abgesenkt wird. Für den Einsatz des Systems als Widerstandsmessbrücke wurde eine spezielle digitale Doppelstromquelle entwickelte (Hintergrund links).
Publikationen der Arbeitsgruppe zu diesem Themengebiet
Weiterführende Literatur:
- J. Gallop, F. Piquemal, „SQUIDs for standards and metrology“, in The SQUID Handbook, J. Clarke and A. I. Braginski, Eds. Weinheim, Germany: Wiley-VCH (2006)
- K. Harvey, „A precise low temperature dc ratio transformer“, Rev. Sci. Instr. 43, 1626 (1972)