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Direkt, präzise, flexibel: Neuer Hochwindungs-Kryostromkomparator bietet erweiterte Mess- und Kalibriermöglichkeiten für elektrische Widerstände

22.11.2013

Ein 14-Bit-Kryostromkomparator wurde in kompakter Bauweise realisiert und erfolgreich für erste Vergleichsmessungen an elektrischen Normalwiderständen eingesetzt.

Kryostromkomparatoren sind zentraler Bestandteil von Messbrücken für den Vergleich von Widerständen mit höchster Genauigkeit. Im Fachbereich „Elektrische Quantenmetrologie“ wurde ein neuer Komparator mit Windungszahlen von 20 = 1 bis 213 = 8 192 („14-Bit-Komparator“) aufgebaut, der – einschließlich weiterer Hilfswicklungen – über insgesamt 17 252 Windungen verfügt. Das entspricht in etwa dem Vierfachen der Gesamtwindungszahl von Komparatoren, wie sie bisher in der PTB für Widerstandskalibrierungen verwendet werden.

Dank der erhöhten Gesamtwindungszahl können nun größere Widerstandsverhältnisse untersucht werden. Unter Verwendung einer im Fachbereich 7.2 der PTB entwickelten Messelektronik mit digitaler Steuerung ist es so erstmals möglich geworden, Normalwiderstände mit dekadischen Nennwerten von 1Ω bis 100 MΩ direkt gegen den Quanten-Hall-Widerstand (QHR) von 12,906 kΩ zu kalibrieren (Widerstandsverhältnisse von 1 : 12 906 bis 7 748 : 1).

Im Falle von 100 MΩ-Normalwiderständen kann eine Kette von fünf Vergleichsschritten nun durch einen direkten Vergleich mit dem QHR mit einer hervorragenden Unsicherheit von etwa 0,4 µΩ/Ω (erweiterte relative Messunsicherheit) ersetzt werden. Die mit beiden Methoden erzielten Ergebnisse stimmten bereits in ersten Testmessungen innerhalb der kombinierten Messunsicherheit überein.

Auch Widerstände abseits dekadischer Werte können durch die sehr flexible Wahl von Windungszahlen einfach und präzise mit dem QHR oder anderen kalibrierten Widerständen verglichen werden. Dies ist unter anderem für die Kalibrierung von neuartigen hochstabilen Stromverstärkern von großer Bedeutung, die im Rahmen des JRP „Qu-Ampere“ durch die PTB entwickelt werden. Diese Arbeiten ordnen sich in den Kontext weltweiter Bemühungen um eine Neudefinition der SI-Einheit Ampere ein.

 

Bild 1: Bleiummantelter Torus des Kryostromkomparators (Außendurchmesser ca. 33 mm) und SQUID-Magnetfeldsensor (Chipgröße ca. 3 × 3 mm2). Die Funktionsprinzipien von Komparator und SQUID-Sensor beruhen auf Effekten der Supraleitung, weshalb der Betrieb im flüssigen Helium erfolgt.

 

 

 

Ansprechpartner: M. Götz
Fachbereich 2.6: Elektrische Quantenmetrologie