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Kleinstromverstärker für Kalibrierpraxis und Qualitätssicherung

03.04.2017

Kleinste elektrische Stromstärken bis hinab in den Femtoampere-Bereich (10–15 Ampere) zu erzeugen und zu messen, ist von zunehmender Bedeutung, etwa für die Entwicklung und Produktionsüberwachung von hochintegrierten Schaltkreisen, für die Dosimetrie im Strahlenschutz, für den Nachweis kleinster Stoffmengen in der Umweltmesstechnik, für biotechnologische Anwendungen wie Sensoren für DNA-Sequenzer sowie für die Messung von Fotoströmen in der Leuchtmittelindustrie.

Kleinstromverstärker für Kalibrierpraxis und Qualitätssicherung

Um die erforderliche Mess- und Kalibriertechnik zukünftig bereitzustellen, werden in der PTB und weltweit „Einzelelektronen-Schaltkreise“ entwickelt. Diese Systeme dienen der Rückführung der Einheit der elektrischen Stromstärke auf die Elementarladung des Elektrons, indem einzelne Elektronen „gezählt“ werden. Sie müssen allerdings im Millikelvin-Bereich betrieben werden.

In der PTB wurde ein auf einem anderen Prinzip beruhendes handliches Table-Top-Gerät entwickelt, das für den Einsatz in Kalibrierlaboratorien bei Zimmertemperatur geeignet ist. Mit dem Gerät lassen sich nahezu die Genauigkeiten einer Einzelektronenquelle erreichen. Es ist in seinen Kenngrößen allen herkömmlichen kommerziellen Kleinstrom- Messgeräten, die derzeit von Herstellern in den USA dominiert werden, um Größenordnungen überlegen.

Das neuartige Instrument vereint folgende Merkmale:

  • Strom-Messbereich von Femto- bis Mikroampere (fA – μA)
  • gleichzeitig Referenzstromquelle für Femto- bis Mikroampere
  • sehr geringe relative Messunsicherheit (0,1 ppm bei 100 pA Stromstärke)
  • großes Anwendungspotenzial für „next generation“-Stromkalibrierung, darunter Sensorik der Industrie 4.0

Flankiert von zwei Patentanmeldungen wurde die PTB-Entwicklung im Rahmen eines Technologietransfers zu einem deutschen Kleinunternehmen übertragen, der Magnicon GmbH in Hamburg. Lizensiert durch die PTB wird das Instrument seit Mitte 2016 unter dem Akronym ULCA (Ultrastable Low-noise Current Amplifier) hergestellt und vertrieben. Erste Auslieferungen an Kalibrierlabors und nationale Metrologieinstitute erfolgten bereits.