Optimierung des ultrastabilen rauscharmen Stromverstärkers

Sowohl in der Wissenschaft als auch in der Technik nimmt die Bedeutung kleiner Gleichströme im Sub-Nanoamperebereich stetig zu. Die höchsten Anforderungen bestehen zurzeit bei der Charakterisierung von Einzelelektronenpumpen. Hier werden Unsicherheiten von unter 0.1 μA/A bei 100 pA gefordert. Bis 2014 waren in diesem Bereich allerdings nur Unsicherheiten von typisch 10 μA/A möglich. Durch die Entwicklung des ultrastabilen rauscharmen Stromverstärkers (ULCA) konnten in der Kleinstrom-Metrologie in den vergangenen Jahren wesentliche Fortschritte bei der Messunsicherheit erzielt und damit neue Weltrekorde im Bereich der Einzelelektronenpumpenforschung aufgestellt werden.
Der ULCA ist ein halbleiterbasierter Verstärker zur Messung und Erzeugung kleiner Stromstärken. Sein Verstärkungsfaktor (Transresistanz) ist extrem stabil. Das Rauschniveau von 2.4 fA/sqrt(Hz) begrenzt allerdings bei sehr kleinen Stromstärken die in der Praxis erreichbare Unsicherheit.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde der ULCA weiterentwickelt und optimiert. Hierfür wurde ein Modell für das Rauschen und den Eingangsruhestrom erarbeitet. Mit Hilfe dieses Modells erfolgte die Entwicklung einer rauschoptimierten ULCAVariante, die ein reduziertes Rauschen ohne Stabilitätsminderung erzielt. Die unveränderte hohe Stabilität der Transresistanz wurde durch umfangreiche Messungen nachgewiesen. Mit dem rauschoptimierten ULCA lassen sich daher die langen Messzeiten bei der Charakterisierung von Einzelelektronenpumpen bei gleicher Unsicherheit um bis auf die Hälfte reduzieren.
Für sehr kleine Ströme unterhalb von ca. 1 pA wurde eine ULCA-Variante mit minimalem Rauschen entwickelt. Sie erreicht ein Rauschniveau von 0.4 fA/sqrt(Hz) und ermöglicht Unsicherheiten bis herab zu 10 μA/A. Ferner liegt der Eingangsruhestrom bei dieser Variante unter 100 aA und ist sowohl zeitlich als auch über der Temperatur sehr stabil. Dadurch kann in vielen Fällen auf das bei Präzisionsmessungen übliche Umpolen des Messstroms zur Unterdrückung von Offset-Effekten verzichtet werden. Mit dieser ULCA-Variante wurde das Stromrauschen von Kabeln untersucht und eine rauscharme Verkabelung für die kryogenen Messaufbauten von Einzelelektronenpumpen gefunden.
Die Ergebnisse dieser Arbeit lieferten wichtige Beiträge für die Präzisionsmessung kleiner Gleichströme. Der rauschoptimierte ULCA ist mittlerweile kommerziell erhältlich und es ist zu erwarten, dass sich dieses Instrument in der Kleinstrom-Metrologie als Standard etablieren wird.