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Messung und Erzeugung kleiner elektrischer Stromstärken mit höchster Präzision

Kleine elektrische Stromstärken sind von zunehmendem Interesse für fundamentale und angewandte Aufgaben der Metrologie.

 

  • "Einzelelektronen-Pumpen" erlauben die Erzeugung von Stromstärken in der Größenordnung von 100 pA durch kontrollierten Transport einzelner Ladungsquanten (Elektronen). Die metrologische Nutzbarmachung diese Schaltungen als zukünftiges Quanten-Stromstärkenormal im Zusammenhang mit der bevorstehenden Neudefinition des SI-Ampere erfordert weitere intensive Forschungsarbeiten, unterstützt durch hochpräzise und -genaue Messungen kleiner Stromstärken. Hier ein Video zu diesem Thema.
  • Die Halbleiterindustrie in den Bereichen Mikro- und Nanoelektronik als auch die Medizin- und Umweltmesstechnik - beispielweise in den Bereichen Dosimetrie und Immissionsschutzmessungen - benötigen in zunehmendem Maße Methoden zur genauen Messung kleiner Stromstärken. Damit verbunden ist die steigende Nachfrage nach hochgenauen Instrumentenkalibrierungen von Pikoamperemetern und Kleinstromquellen.

 

Die Arbeitsgruppe hat in enger Kooperation mit dem Fachbereich 7.2 ein neuartiges Instrument zur hochgenauen Messung und Erzeugung kleiner Stromstärken entwickelt, den "Ultrastable Low-noise Current Amplifier" (ULCA). Dieser höchststabile und rauscharme Stromverstärker ist ein handliches und nicht-kryogenes Instrument, basierend auf speziell entwickelten Operationsverstärkern und Widerstandsnetzwerken. Das zweistufige Konzept vereint einen Stromverstärker (Verstärkungsfaktor 1000) und einen nachgeschalteten Strom-Spannungs-Wandler (Transresistanz 1 MΩ). Der Übertragungskoeffizient, die effektive Gesamt-Transresistanz von 1 GΩ, ist extrem stabil hinsichtlich Drift (typischerweise etwa 5x10-6 relative Änderung pro Jahr) sowie Temperatur und Stromstärke. Der niedrige Rauschpegel von etwa 2.4 fA/ √Hz ermöglicht relativ kurze Messzeiten auch bei kleinen Eingangsströmen. Die Kalibrierung des Übertragungskoeffizienten wird mittels eines Kryo-Stromkomparators rückführbar auf den Quanten-Hall-Widerstand mit einer relativen Unsicherheit von weniger als 0,1 µΩ/Ω durchgeführt.

Der ULCA ermöglicht damit beispielsweise die Messung eines Stromes von 100 pA mit einer relativen Unsicherheit von einem Teil in zehn Million innerhalb eines Tages. Das Instrument ist ebenfalls zur Erzeugung von rückgeführten Stromstärken mit höchster Genauigkeit und Präzision geeignet.

 

 Zweikanaliger ULCA PrototypPlatine ULCA

Zweikanaliger Prototyp des von der PTB entwickelten Ultrastable Low-noise Current Amplifier (ULCA), rechts mit geöffnetem Gehäuse

 

 Zweikanaliger ULCAZweikanaliger ULCA

Kommerzialisierte Version des zweikanaligen ULCA mit Batteriestromversorgung (Magnicon GmbH, Hamburg)

 

 

Das Instrument wird, lizensiert von der PTB, durch Fa. Magnicon GmbH (Hamburg) hergestellt.

 

Publikationen der Arbeitsgruppe zu diesem Themengebiet

 

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