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- The cryogenic current comparator (CCC) is used in the electrical precision measurements to compare electric currents with the highest accuracy. This device exceeds the accuracy of other current comparators around several orders of magnitude. It is used in electrical metrology for exact comparative measurements of electric resistances or the amplification and measurement of extremely small electric currents. The CCC principle goes back on Harvey and is based substantially on the properties of superconductors. CCCs make use of macroscopic quantum effects that occur in superconducting materials or circuits underneath their critical temperature of typically a few kelvins. The term “Cryogenic Current Comparator” stems from κρυος (Gr. frost, ice) and comparare (Lat. compare). The two quantum effects used in a CCC are the ideal diamagnetism of the superconductor, caused by the Meissner effect, and the macroscopic quantum interference of currents in a superconducting quantum sensor. For the comparison of two currents, these are fed through two wires which are led through a superconducting tube. The Meissner effect induces a screening current on the inner surface of the tube, flowing opposite to and being exactly as large as the sum of the currents inside the tube. Thus, this shielding current exactly cancels the magnetic field inside the tube produced by the currents in the wires. The screening current flows back across the outer surface of the tube, giving rise to a magnetic field in the room outside of the tube. This field is detected by a highly sensitive magnetometer, acting as a null detector. The signal of this null detector thus is a measure for the equality of the currents; in particular, it is zero if the two currents are of exactly equal magnitude. The important and crucial point characterizing the CCC is the fact that the magnitude of the screening current and its distribution on the surface of the superconducting screen is independent of the position and the path of the wires inside the tube. Typical for a CCC is the use of a SQUID magnetometer as null detector for the magnetic field (SQUID = Superconducting Quantum Interference Device). These are capable of detecting extremely small changes of the magnetic field corresponding to fractions of the magnetic flux quantum = h/2e ≈ 2×10−15 V·s (h is Planck's constant and e the elementary charge). The function principle of a SQUID is based on macroscopic quantum interferences of electric currents, arising in superconducting circuits (loops) with tunnel junctions. Resistance bridges based on CCCs are used for the comparison of electrical resistances, in particular, if highest-precision measurements are required, as there is the traceability of the resistance unit to the quantum Hall effect (QHE). In this way, measurements connecting standard resistors ranging from 1 ohm up to 10 kΩ to a QHE resistor of 12.9 kΩ are performed at several national institutes of metrology as, for instance, the National Institute of Standards and Technology (NIST, USA) or the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB, D). Here, electrical resistance comparisons using CCCs are accomplished with relative measurement uncertainties of only about 10−9. (en)
- Kryostromkomparatoren (engl. cryogenic current comparator, CCC) werden in der elektrischen Präzisionsmesstechnik verwendet, um elektrische Stromstärken zu vergleichen bzw. Stromstärkeverhältnisse mit höchster Genauigkeit zu bestimmen. Sie übertreffen die Genauigkeit anderer Stromkomparatoren um mehrere Größenordnungen und werden in der elektrischen Metrologie beispielsweise zu hochpräzisen Vergleichsmessungen von elektrischen Widerständen oder zur Verstärkung und Messung extrem kleiner Stromstärken verwendet. Das Prinzip des Kryostromkomparators geht auf Harvey zurück und basiert wesentlich auf den Eigenschaften von Supraleitern [Harvey, I. K.: A precise low temperature dc ratio transformer. Rev. Sci. Instrum. 43 (1972) 1626–39]. Dabei werden makroskopische Quanteneffekte ausgenutzt. die in Supraleitern unterhalb der Sprungtemperatur von typischerweise wenigen Kelvin auftreten. Der Begriff „Kryo-Stromkomparator“ leitet sich daher ab von κρυος (gr. Frost, Eis) und comparare (lat. vergleichen). Die im Kryostromkomparator vorteilhaft ausgenutzten Quanteneffekte sind zum einen der ideale Diamagnetismus des Supraleiters, bedingt durch den Meissner-Effekt, und zum anderen die Eigenschaften eines supraleitenden Quantensensors. Zum Vergleich zweier Stromstärken leitet man die Ströme durch zwei Drähte, die durch das Innere einer supraleitende Röhre geführt werden. Durch den Meissner-Effekt bildet sich auf der Innenseite der Röhre ein Strom aus, der exakt so groß ist wie die Summe aller Ströme im Inneren der Röhre. Dieser Abschirmstrom bewirkt ein verschwindendes Magnetfeld im Inneren der Röhre. Er fließt über die äußere Oberfläche der Röhre zurück und erzeugt außerhalb der Röhre ein Magnetfeld, welches mit einem hochempfindlichen Magnetometer nachgewiesen wird. Das vom Magnetometer nachgewiesene Magnetfeld ist nun ein Maß für die Gleichheit der Ströme – insbesondere verschwindet es, wenn die beiden zu vergleichenden Stromstärken gleich groß sind. Wichtig ist die Tatsache, dass die Stärke des Abschirmstromes und die Stromverteilung auf der Rohraußenseite unabhängig von der Anordnung bzw. Lage der Drähte im Inneren des Rohres sind. Als Nulldetektor für das Magnetfeld werden SQUID-Magnetometer (SQUID = Superconducting Quantum Interference Device) eingesetzt. Sie erlauben den Nachweis extrem kleiner Magnetfeldänderungen, die Bruchteilen des elementaren magnetischen Flussquantums = h/2e ≈ 2·10−15 Vs entsprechen (h ist das plancksche Wirkungsquantum, e die Elementarladung). Die Funktion des SQUID beruht auf makroskopischen Quanteninterferenzen, die in supraleitenden Schleifen mit Tunnelkontakten auftreten. Widerstandsmessbrücken, die auf Kryostromkomparatoren basieren, werden für den Vergleich von elektrischen Widerständen benutzt, insbesondere für Messungen höchster Präzision, wie sie für die Reproduzierung der Widerstandseinheit auf der Basis des Quanten-Hall-Effektes (QHE) erforderlich sind. Anschlussmessungen von Normalwiderständen im Bereich 1 Ohm bis 10 kOhm an einen QHE-Widerstand von 12,9 kOhm werden auf diese Weise an metrologischen Staatsinstituten wie der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) mit einer relativen Messunsicherheit von nur einigen 10−9 durchgeführt. (de)
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