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Hochempfindlicher Ladungsmesser zur Messung von Ionisationskammerströmen

09.07.2014

Ströme aus Ionisationskammern liegen im Bereich von weniger als einem Femtoampere (10-15 A) bis zu einigen Nanoampere (10-9 A) und werden am sichersten über eine Ladungsmessung bestimmt. Ein derartiger Ladungsmesser mit mehreren Messbereichen und einem Eingangsruhestrom von weniger als 0,3 fA ist kommerziell nicht erhältlich und wurde darum entwickelt. Zur Qualitätskontrolle wurde der Ladungsmesser mit dem Stromnormal der PTB verglichen. Dieser Vergleich zeigte, dass ein Strom von 40 fA mit einer Standard-Unsicherheit von 0,1 fA bestimmt werden kann.

Eine wesentliche messtechnische Aufgabe in der Dosimetrie ionisierender Strahlung ist die Messung von Strömen aus Ionisationskammern. Diese Ströme liegen im Bereich von weniger als einem Femtoampere (10-15 A) bis zu einigen Nanoampere (10-9 A). Die Erfahrung zeigt, dass Ströme in diesem Bereich am sichersten über eine Ladungsmessung mit einem als Integrator beschalteten Operationsverstärker bestimmt werden können. Da ein solcher Ladungsmesser mit mehreren Messbereichen nicht kommerziell erhältlich ist, wurde er entwickelt [1]. Ein wesentlicher Unsicherheitsbeitrag bei der Messung ist der Eingangsruhestrom des verwendeten Verstärkers. Da dieser Strom stark von der Temperatur des Verstärkers abhängig ist und mit sinkender Temperatur kleiner wird, wird der Verstärker des hier beschriebenen Ladungsmessers auf -10 °C gekühlt. Der verbleibende Eingangsruhestrom ist kleiner 0,3 fA. Da eine Korrektur des Eingangsruhestroms während der Messung nicht möglich ist, muss er vor und nach der Messung ermittelt werden, um den eigentlichen Messstrom bestimmen zu können. Zur Qualitätskontrolle wurde der Ladungsmesser mit dem Stromnormal der PTB verglichen.

Abbildung: Verhältnis von gemessenem Strom I zu Normal-Strom IN

Die Messungen wurden mit Strömen von 40 fA, 200 fA und 2000 fA durchgeführt. Der Quotient aus dem um den Eingangsruhestrom korrigierten mittleren Messstrom I und dem Strom aus dem Normal IN ist in der Abbildung dargestellt. Die Fehlerbalken stellen die relative Standardabweichung des Messstroms dar. Bei dem 40-fA-Normalstrom entspricht diese Standardabweichung etwa 600 Elektronen pro Sekunde. Insgesamt zeigt der Vergleich, dass es mit dem hier beschriebenen Ladungsmesser möglich ist Ströme im Bereich von wenigen Femtoampere auf wenige Promille absolut genau zu messen.

Literatur:

  1. G. Buchholz:
    Hochempfindlicher Ladungsmesser
    PTB Bericht EW-15, ISBN 978-3-95606-048-9, 2013