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Neuartiger Stromverstärker für hochpräzise rückgeführte Messungen kleinster elektrischer Stromstärken

22.11.2013

Im Rahmen des JRP „Qu-Ampere“ wird für hochpräzise und rückgeführte Messungen von Stromstärken im Bereich 100 pA in Zusammenarbeit mit der Abteilung 7 der PTB ein neuartiges Verstärkerkonzept entwickelt. Ein Prototyp dieses „Ultrastable low-noise current amplifier“ (ULCA) wurde bereits hergestellt und erfolgreich getestet.

Die geplante Neudefinition der Basiseinheit Ampere über die Festlegung eines Wertes für die Elementarladung motiviert die zukünftige Darstellung des Ampere mittels Einzelelektronentransport. Die maximalen so generierbaren Stromstärken liegen jedoch in der Größenordnung von nur 100 pA bis 1 nA. Neben der Stromgenerierung werden hochpräzise und rückführbare Messungen von Stromstärken in dieser Größenordnung in der elektrischen Metrologie daher entsprechend relevant. Im Rahmen des durch den Fachbereich 2.6 „Elektrische Quantenmetrologie“ koordinierten laufenden JRP „Qu-Ampere“ wurde daher in Zusammenarbeit mit Fachbereich 7.2 ein neuartiges Stromverstärkerkonzept entwickelt und ein entsprechender Prototyp getestet.

Der neue Stromverstärker zeichnet sich konzeptionell dadurch aus, dass er mittels einer elektronischen Schaltung aus Operationsverstärkern und Widerstandsnetz­werken realisiert wird. Somit stellt dieses Instrument eine handliche und im Betrieb einfachere Alternative zum Einsatz von deutlich komplexeren Kryostromkomparatoren mit sehr hoher Windungszahl als Stromverstärker dar. Die Entwicklung beruht im Wesentlichen auf einem speziellen Design der in der Schaltung eingesetzten Widerstandsnetzwerke, welches überragende Eigenschaften hinsichtlich der Stabilität des Verstärkungsfaktors und des Rauschens ermöglicht.

Der Verstärker ist zweistufig aufgebaut. Die erste Stufe verstärkt den zu messenden Eingangsstrom Iin um den Faktor 1000. Das Verstärkungsverhältnis wird unter Verwendung eines Kryostromkomparator-Systems mit höchster Präzision kalibriert. Die zweite Verstärkerstufe führt eine Strom-Spannungs-Wandlung über einen eingebauten Rückkoppelwiderstand von 1 MΩ (oder, optional, einen externen Normalwiderstand) durch. Die entsprechende Übertragungsfunktion kann wiederum mittels Kryostromkomparator direkt auf den Quanten-Hall-Effekt zurückgeführt werden.

Die erwarteten exzellenten Eigenschaften wurden in Testmessungen an einem Prototyp bestätigt, bei denen im Leerlaufbetrieb eine hervorragende Stromauflösung von rund 110‑17 A (10 aA) innerhalb einer Messzeit von einem Tag erreicht wurde
(siehe Bild 1). Außerdem wurde die exzellente Stabilität des Verstärkers über mehr als acht Tage nachgewiesen. Weitere Verbesserungen werden mit der in Entwicklung befindlichen Endversion des Stromverstärkers erwartet und zielen darauf ab, eine Gesamtunsicherheit von 0,1 µA/A bei einem Eingangsstrom von 100 pA zu erreichen.

Das Konzept des Stromverstärkers wurde zum Patent angemeldet.

Bild 1: Allan-Abweichung σI-in des auf den Eingangsstrom bezogenen Stromverstärkersignals über der Integrationszeit τ. Die blau dargestellte Kurve entspricht den Daten, die bei offenem Verstärkereingang – also nominell ohne angelegten Eingangsstrom – über einen Zeitraum von insgesamt 198 Stunden gemessen wurden. Die rote Gerade wurde berechnet aus dem gemessenen Rauschspektrum gemäß σI-in = (2 SI‑in / τ)½. Die Übereinstimmung zwischen roter und blauer Kurve lässt auf weißes Rauschen schließen als Beleg für die Stabilität des Verstärkers über die Gesamtmesszeit von mehr als acht Tagen. Das Ergebnis dieser Strommessung im Leerlaufbetrieb des Verstärkers betrug Iin = 3,7 ± 2,9 aA (Gesamtmessunsicherheit, k = 1).

 

 

 

Ansprechpartner:
D. Drung

Fachbereich 7.2: Kryophysik und Spektrometrie

H. Scherer

Fachbereich 2.6: Elektrische Quantenmetrologie