Teviso PIN-Dioden Sensor

[opengeiger.de]

Vielleicht für den einen oder anderen Bastler interessant: Der Teviso PIN-Dioden Sensor BG51

Die Firma Mouser (mouser.de) hat ein neues Produkt angekündigt, sie bietet den Teviso Sensor BG51 auf einer MIKROE Platine für 163 Euro an (Uff!). Der Sensor arbeitet mit PIN Dioden, arbeitet mit 2.5-10V Versorgung, liefert CMOS-Zählimpulse mit ca. 5cpm/(uSv/h) und braucht nur ein ca. 25uA Strom. Laut Datenblatt hat er ein Energiebereich von 70keV-2MeV. Ich hatte mich schon mit dem Vorgänger befasst, da hatte ich aber den Eindruck er reagiert weitestgehend nur auf Beta-Strahlung, ähnlich wie eine BPW34 PIN-Diode. Ist für eine kleine autarke Outdoor-Überwachungsstation mit Solarzelle vielleicht ganz interessant. Die Zeitauflösung ist aber bei der Zählrate mau, es dauert eine ganze Weile bis man 100 Pulse beinander hat, damit die statistische Streuung erträglich bleibt. Und ja, man bekommt auch 2 chinesische Billig-Geigerzähler für das Geld.

Siehe:
https://www.mouser.de/ProductDetail/Mikroe/MIKROE-4036
https://www.teviso.com/file/pdf/bg51-data-specification.pdf

[NoLi]

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Ich hatte mich schon mit dem Vorgänger befasst, da hatte ich aber den Eindruck er reagiert weitestgehend nur auf Beta-Strahlung, ähnlich wie eine BPW34 PIN-Diode. Ist für eine kleine autarke Outdoor-Überwachungsstation mit Solarzelle vielleicht ganz interessant.
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Diese weitestgehende Unempfindlichkeit gegenüber Gamma-Strahlung kann ich nicht ganz nach vollziehen. Ich habe den RadRate basic mit 6 Stück BPW34-Dioden (aktive Gesamtfläche 45 mm²; Background-Nullrate im Mittel 1 bis 2 CPM), der ein Nachweisvermögen von 17 CPM pro µSv/h für Cs-137/Ba-137m (662 keV) Gamma-Strahlung aufweist, geprüft und zertifiziert von der Kalibrier- und Eichstelle für Strahlenmessgeräte im KIT/Campus Nord.
Ich gebe allerdings zu, dass diese Empfindlichkeit gegenüber anderen Nichthalbleiter-Detetoren nicht gerade überragend ist...aber man kann damit auch was anfangen.
Leider findet man nirgends eine Angabe zur aktiven Messfläche des BG51-Sensors.

Norbert

[opengeiger.de]

Die Wechselwirkungswahrscheinlichkeit von Photonen einer bestimmten Energie in einer PIN  Diode hängt ja arg an der Dicke der Verarmungszone und damit an der Vorspannung. Auch bei speziellen Halbleiter-Detektoren für Gammastrahlung ist das so. HPGe Detektoren werden deswegen meist mit ein paar kV in Sperrrichtung vorgespannt. Den alten Teviso konnte man nur mit 5V versorgen und auch viele BPW34 Schaltungen verwenden nur die 5V als Vorspannung. Da ist dann die Sperrschicht nur ein paar 100um dick und man hat kaum eine Sensitivität oberhalb von 100keV für Photonen. Den neuen Teviso kann man mit bis zu 20V versorgen laut Datenblatt, vielleicht verwenden sie das dann auch für die Vorspannung der Diode. Dann wirds vielleicht auch besser. Das zweite Problem ist die Amplitude des Ladungspulses aus der Ionisation. Ein Betatreffer erzeugt eine ungleich höhere Amplitude als ein Photon. Um einen Photonenimpuls sauber zu verstärken, so dass ein Komparator das in einen Digitalpuls wandeln kann, braucht eine immense und sehr rauscharme Verstärkung. Dann muss auch die Versorgung sehr sauber sein und es darf kein Händy in der Nähe sein. Das braucht man für die Betas alles nicht. Es kommt daher auch ein wenig auf die Schaltungstechnik, EMV und die Kosten an, wie das am Ende rauskommt. Vielleicht testet ja jemand mal den neuen Teviso diesbezüglich. Und eine hohe Ortsauflösung das hat er. Z.B für die Untersuchung von Hot Particles etc.

[NoLi]

Wenn der TEVISO BG51 tatsächlich mit höherer Spannung betrieben werden sollte als die 6 Stck BPW34-Dioden des RadRate basic, dann muß er entweder oberhalb 100 keV Photonen recht unempfindlich sein oder eine sehr kleine aktive Messfläche haben:

Auszug aus der Beschreibung
Features and Benefits
� Detects beta and gamma radiation and X-rays
� Ultra low power requirement (25μA)
� Pulse Rate vs. Radiation Rate: 5 cpm/μSv/h
� High immunity to RF and electrostatic fields
� Linear response over wide temperature range (-30°C to 60°C)

Zur Erinnerung: die 6 RadRate-BPW34 (45 mm²) haben zusammen eine Gamma-Empfindlichkeit bei 662 keV von 17 cpm/µSv/h.

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Das zweite Problem ist die Amplitude des Ladungspulses aus der Ionisation. Ein Betatreffer erzeugt eine ungleich höhere Amplitude als ein Photon. Um einen Photonenimpuls sauber zu verstärken, so dass ein Komparator das in einen Digitalpuls wandeln kann, braucht eine immense und sehr rauscharme Verstärkung.

Und einen sauberen stabilen Diskriminator, um die Rauschimpulse raus zu filtern.

Norbert

[opengeiger.de]

Ja, ist interessant, dass Du so ein positives Bild von PIN-Dioden hast! Ich hab sonst eher viel Ablehnung gehört, zumindest für die BPW34 basierten Detektoren.

Es gab auch mal eine legendäre großflächige PIN-Diode für X-Ray Anwendungen von First Sensor mit dem Namen X100-7. Die gab es auch mit aufgesetztem CsI Kristall. Damit hab ich auch einen Detektor gebaut. Das war ne gewisse Herausforderung an den Verstärker. Aber auch diese Diode ohne Kristall kommt kaum über 100keV laut Hersteller, selbst wenn man auf 10V Vorspannung geht.

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Erst wenn der Kristall drauf sitzt, dann geht das in Richtung höhere Energien, dann detektiert man aber eher die UV-Photonen aus dem Kristall. Man kann das aber auch positiv sehen: Man weiss dann nämlich, dass man weitestgehend nur Beta sieht und eine Messung von den Gammas kaum beeinflusst wird. Die restlichen Gammas kann man mit dem Komparator rausfiltern. Da man mit der Diode 100mm^2 an Fläche hat, gibt das auch ne ganz gute Zählrate. Und trotz der großen Diode hat man gegenüber einem Zählrohr immer noch eine relativ gute Ortsauflösung, wenn man kleine Krümel sucht.  Bei entsprechender Komparator-Einstellung hat man dann auch eine Nullrate von Null, denn so viele kosmische Elektronen verirren sich nicht auf Meereshöhe.

Ein Student von der Uni Gießen in der Radiopharmazie, wollte das Ding auch für Fließgeschwindgkeitsmessungen in Blutgefäßen haben, er hat mit Beta Tracern gearbeitet. 

Und wenn man einen XY-Tisch mit Schrittmotoren spendiert, kann man fast ne digitale Autoradiographie für Betas machen 

[NoLi]

Nun, anfangs war ich auch sehr skeptisch...seit ich aber mit dem RadRate basic selber Messungen durchführen konnte, hat sich mein Bild darüber gewandelt.

Wie genau die Gamma-Efficiency der nackten, abgeschliffenen BPW34-Dioden im RadRate basic ist, weiß ich im Moment nicht genau, aber sicherlich deutlich unter 0,5 %. Selbst bei Geiger-Müller-Zählrohren liegt diese bei ca. 0,1 %, bei Scint.Großflächendetektoren bei 0,3 - 0,4 % (bezogen auf Mn-54 mit 821 keV Photonen).

Im Gegensatz dazu beträgt die Beta-Efficiency der abgeschliffenen BPW34 für Cs-137 (ß-max. Hauptenergie 514 keV) in 1 cm Abstand ca. 2 %.

Die Gamma-Efficiency der BPW34 werde ich bei nächster Gelegenheit (frühestens aber in 3 Wochen) mal ermitteln.

Interessant ist die Kombination mit einem CsI(Tl)-Kristall, wenn man sich ausschliesslich auf Gamma-Strahlung entscheidet.

Der Student der Uni Gießen muß aber einen recht energiereichen Beta-Strahler mit relativ hoher Aktivität für seine Blutflußmessungen eingesetzt haben, wenn er mit dieser Konstruktion auch ausreichende Zählraten erhalten wollte...

Norbert

[opengeiger.de]

Die Quelle war ein methyl-iodide tracer (CH3I) mit C11 als Radionuklid. Das Gerät sollte für eine max. Aktivität von 60GBq ausgelegt sein .

Im bisherigen System hatten sie so etwa 6000cpm während einer Messung registriert, ich weiß allerdings nicht recht mit welchem Detektor. Die Hoffnung war mit dem Teviso RD2014 den 511keV Gamma Peak nutzen zu können. Das hat aber offensichtlich nicht recht funktioniert. Und ich muss korrigieren, das war nicht die Radiopharmazie in Gießen sondern an der KU Leuven. Hab grad noch mal nachgeschaut (war 2014 und Google Mail vergisst so was nicht   ).

[NoLi]

Die Quelle war ein methyl-iodide tracer (CH3I) mit C11 als Radionuklid. Das Gerät sollte für eine max. Aktivität von 60GBq ausgelegt sein .

Ok, C-11 ist ein kurzlebiges PET-Nuklid mit 20 min Halbwertszeit und 511 keV Photonen; das geht mit dem FIRST SENSOR zu messen.
Ich nehme mal nicht an, dass die 60 GBq injiziert werden, sondern "das Gerät" ein Vorrats-, Transport- und Eluationsbehälter darstellen sollte.

Norbert

[opengeiger.de]

Ja, so ganz verstehe ich das auch nicht, was da nicht recht funktioniert hat. Die Effizienz ist nicht gut bei 511keV aber nicht null. Ich hab mal diese finnische Publikation gefunden, wo die Effizienz so einer speziellen PIN Diode dargestellt ist (siehe auch der Anhang):
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Und so verhält sich auch in etwa der Teviso RD2007, den ich im Detail untersucht hatte. In der Praxis: Wenn man eine Uranglasur direkt davorhält, geht der Detektor ab wie Schnitzel. Mit 8mm Plexiglas dazwischen ist er komplett bei Null. Stellt man aber etwas Monazit-Sand mit 8mm Plexiglas dazwischen, vor den Sensor, dann bekommt man doch hin und wieder einen count innerhalb einer Minute. Ohne Plexiglas geht es dann auch wieder deutlich hoch mit der Zählrate. Aber ich hab von Teviso nie eine brauchbare Antwort zur Gammaempfindlichkeit bekommen. Und von First Sensor gab es eben besagtes Datenblatt.

Wie habt ihr denn die BPWs genau getestet und was kam da als Effizienz raus über der Energie?

[opengeiger.de]

Ich muss ja zugeben, ich hab mich am Anfang sehr für diese Firma Teviso eingesetzt und man findet auf dem Server der Firma auch noch ein Dokument, das ich mal für einen Radon-Schulversuch mit dem Teviso Sensor  geschrieben habe (https://www.teviso.com/file/pdf/radonnachweisschule.pdf). Aber später war ich dann doch etwas enttäuscht. Hintergrund war das Datenblatt des Sensors vom Vorgänger Modell RD2007. Da war die angebliche Energy Response drin.

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Ich bin davon ausgegangen, dass diese Energy Response an Gamma-Strahlung gemessen wurde. Aber so explizit steht das nicht da. Aus der Kommunikation mit der Firma aber wurde klar, dass der Sensor ein PIN-Dioden Array enthält. Ich dachte dann eben, die haben einen Trick gefunden, wie man eine PIN-Diode baut, die mit der Gamma-Empfindlichkeit etwas höher kommt, als die üblichen 50-100keV. Allzu dick konnte die Sperrschicht der PIN-Dioden aber nicht sein, zumindest bei der 5V Versorgung des RD2007 nicht, es sei denn, sie haben einen DC/DC Boost Konverter drin, der die Vorspannung macht, aber dafür gab es keine Anzeichen und würde vermutlich auch erhebliche EMV-Probleme machen. Aber ja, dachte ich, vielleicht haben sie noch einen anderen Trick gefunden. Ich war allerdings nie in der Lage, dieses Energie-Ansprechverhalten in dem Datasheet auch nur annähernd nachzuweisen. Beim jetztigen BG51 ist so eine Energy Response Diagramm auch nicht mehr im Datasheet drin, aber so viel anders wird der Sensor jetzt auch nicht aussehen. Sie haben jedoch den Energiebereich verändert, jetzt steht im Data Sheet Energy response 70 keV to 2 MeV, das Am241 ist nun also nicht mehr abgedeckt, was aber an einer besseren EMV Abschirmung liegen könnte.

Ich habe aber hier ja noch einige RD2007 rumliegen und habe heute früh nochmal nachgemessen, also die Gammastrahlung des Am241 sieht man beim alten RD2007 definitiv nicht. Das war meiner Meinung nach Falschinformation. Der RD2007 war mit 3.4cpm/(uSv/h) angegeben. Auch die sehe ich für Gamma intensive Proben mit abgeschirmter Beta-Strahlung nicht. Ich verfolge nun den Erfolg dieser Firma seit 2014 etwa. Auf der Webseite hat sich so viel nicht getan. Es gibt auch kaum Veröffentlichungen von Leuten, die den Sensor nutzen und aus denen hervorgeht was der Sensor wirklich kann für den stolzen Preis. Interessanterweise gibt es noch den Strahlungsdetektor ,,BG500" von dieser Firma. Da steht nun (https://www.teviso.com/file/pdf/bg500-specification.pdf) Zitat:

>> "The BG500 is a portable radiation detector that is easy to use and provides real-time feedback on nuclear radiation activity. A Teviso BG51 solid-state PIN diode sensor is used to detect beta radiation (electrons), gamma radiation (photons) and X-rays."<<

Also demnach kann der Teviso BG51 immer noch Gammas ab 70keV detektieren ähnlich wie das vom RADRATE behauptet wird. Die Frage ist nur, sind jetzt die 5cpm/(uSvh) wirklich von der Gamma-Strahlung ? Und ganz so professionell sieht dieses Gerät jetzt nicht aus, für diese mindestens 10Jahre, die diese Firma schon existiert. Aber immerhin hat nun MIKROE den Teviso Sensor übernommen und Mouser verkauft nun die Platinen. Bin mal gespannt ob das den Publizitäts-Schub bringt.

Aber daher bin ich auch an dem RADRATE Detektor interessiert, und wenn der laut @NoLi wirklich Gamma mit abgeschliffenen BPW34 Dioden kann, dann wär das ja der Beweis, dass es doch irgendwie geht. Laut dem mikrocontroller forum (https://www.mikrocontroller.net/topic/344882) erreicht der RADRATE folgendes:
Zitat:
>>
Vergleich mit RAD-RATE:
Nullrate (10 min) - Eigenbau:17 counts, RAD-RATE:7 counts
50 g Kaliumjodid (10 min) - Eigenbau: 68 counts, RAD-RATE 34 counts
Th-WIG-Elektrode (2 min) - Eigenbau:118 counts,  RAD-RATE: 55 counts
NaMgUAcetat-Prüfstrahler(1 min) - Eigenbau:244 counts, RAD-Rate 114
Counts
<<
Aber war  da Beta abgeschirmt?

Laut @NoLi in https://www.geigerzaehlerforum.de/index.php?msg=13818

Es gibt ein in Deutschland produziertes Fertiggerät mit 6 Stück BPW34, das RADRATE basic.
Der Gamma-Background-Rate liegt zwischen 1 cpm und 4 cpm.
Die Beta-Empfindlichkeit ist deutlich besser, für Sr-/Y-90 liegt sie bei ca. 5%.

Norbert

D.h. die Gamma-Background-Rate liegt zwischen 1 cpm und 4 cpm, also Betonung jetzt mal auf Gamma. Also 4cpm aus Gamma, wenn eine BPW34 (Vishay) 7.5mm^2 Fläche hat, also x 6 BPW34 sind dann 45mm^2, das ist schon erstaunlich. Die Diode hat 25pF bei 3V Vorspannung, damit könnt man mal die Dicke der Sperrschicht abschätzen. Aber ich geh davon aus, sie ist nicht mehr als 300um dick.

Nun wurde auch mal bei IEEE ein Paper veröffentlicht, wo einer so ne Diode auf die Energy response hin durchsimuliert hat:

Pratip Mitra, Saurabh Srivastava, Sunil K. Singh, D. K. Akar, H. K. Patni, Anita Topkar, and A. Vinod Kumar;
Optimum Energy Compensation for Current Mode Application of Silicon PIN Diode in
Gamma Radiation Detection;
IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 63, NO. 6, DECEMBER 2016 2777
Da kam dieses Diagramm raus:

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Man sieht auch bei 1000keV ist die Response nicht Null. Aber stimmt die Count Rate für Gamma mit abgeschirmten Betas beim RADRATE basic, wenn man so eine Effizenz annimmt?

Ich hab jetzt auch mal das Päckchen Müllers Pottasche im Kontakt zum Teviso RD2007 aufgestellt. Dann zeigte der Arduino mit dem Konversionsfaktor 3.4cpm/(uSv/h) muntere 1.1uSv/h an, mit 8mm Plexiglas muss ich mal noch warten, wie langes dauert bis 10 die Impulse ein paar mal gezählt sind, die Messung läuft noch ...

@NoLi: Was zeigt denn der RADRATE in etwa an, an einem Tütchen Müller's Pottasche mit etwa 8mm Plexigas gegenüber dem Background (mit Streuung)?

[NoLi]

...
@NoLi: Was zeigt denn der RADRATE in etwa an, an einem Tütchen Müller's Pottasche mit etwa 8mm Plexigas gegenüber dem Background (mit Streuung)?

Sorry, das kann ich Dir (bisher) leider nicht sagen, weil die Gamma-Zählrate der Pottasche zu gering ist und in der allgemeinen Streuung der Nullrate untergeht. Der RadRate ist wegen seiner geringen Anzeigedämpfung auch nicht geeignet, die durch die Pottasche hervorgerufenen so geringen Gamma-Zählraten optisch darzustellen. Und ich als "Bio-Digitalzähler" (mit mechanischem Stückzähler im Handbetrieb  ) müsste mich mehrere Stunden hinsetzen, um eine einigermaßen plausible Aussage machen zu können. Außerdem schaltet sich der RadRate nach ca. 15 min zwecks Batterieschonung automatisch aus; ok, das könnte man abschalten, indem ein Jumper entlötet wird, ich möchte aber nicht an diesem funktionierenden Gerät herum basteln, zumal es auch in meinen Schulungen über Geräte und Detektoren demonstriert und (leider) nicht mehr hergestellt wird.
Und ein Q-Safe QSF-101/103  http://www.ntrexgo.com/archives/19684  (das einzige mir bekannte kommerzielle Gerät mit 10 Stück PIN-Dioden) steht mir auch nicht zur Verfügung (falls es überhaupt noch hergestellt wird...). Bliebe nur noch der Aufsteckdetektor SGP-001 von FTI für das Smartphone, der ist aber u.a. wegen Mikrophonieeffekte kaum brauchbar.

Norbert

[opengeiger.de]

Ok, Nach 4 Jahren kann man gewisse Erinnerungslücken verzeihen  ! Du hast die Antwort nämlich am 29. November 2019, 14:37 schon gegeben:

Nächster Gerätetest, diesmal das Radrate basic:

Zu beachten ist auch, dass das Gerät nach ca. 15 Minuten zur Batterieschonung selbstständig abschaltet!
Zur Ermittlung der Ortsdosisleistung (nur Gammastrahlung) wurde auf einem professionellem Eichstand für Strahlungsmessgeräte ein Umrechnungsfaktor für Gammastrahlung von Cs-137 bestimmt und mit einem Aufkleber auf der Stirnseite vermerkt:  17 CPM = 1 µSv/h .

Zu den Messwerten am 30g-Tütchen (10 cm x 8 cm) K2CO3 Pottasche (im Kontakt mit der Verpackung):

Nettozählrate (also Nullrate schon abgezogen):  ca. 3,8 CPM (entspricht einer Oberflächenaktivität von 1,2 Bq/cm²); folglich entsprechen 1267 CPM einer Oberflächenaktivität von 400 Bq/cm².

Fazit: dieser "Volksgeigerzähler" ist als Katastrophenschutz-Messgerät durchaus geeignet, zur Überwachung und Bestimmung der Umweltradioaktivität "ohne Katastrophe" aber nur bedingt und nur unter bestimmten Messmethoden, wie Einzelimpulszählung über mehrere Minuten (am besten zweistellig), einsetzbar.

Gruß
NoLi

OK, also Deiner Messung nach  für Cs137 Ortsdosisleistung (nur Gammastrahlung) auf einem professionellem Eichstand  17 CPM = 1 µSv/h

Das ist echt erstaunlich 

Ich finde zwar keine Energy Response für die BPW34, immer nur die Profi PIN Dioden z.B, die S14605, eine großflächige PIN-Diode von Hamamatsu mit 81mm^2 Fläche, also ähnlich wie die von First Sensor.
(https://www.hamamatsu.com/content/dam/hamamatsu-photonics/sites/documents/99_SALES_LIBRARY/ssd/s14605_kpin1091e.pdf).

Die sieht so aus:
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Da wären wir mit 662keV auch "ganz unten" vermutlich auch unter 1% der max. Sensitivity.

Also das ist schon verwunderlich, dass man mit 45mm^2 Fläche von 6 BPW34 dann immer noch auf 17cpm pro uSv/h kommt. Ich denk mal, beim Teviso müsste das dann ganz ähnlich funktionieren. 

[NoLi]

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OK, also Deiner Messung nach  für Cs137 Ortsdosisleistung (nur Gammastrahlung) auf einem professionellem Eichstand  17 CPM = 1 µSv/h
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Nicht von mir ermittelt, sondern vom Personal des Kalibrier- und Eichstandes vom Kalibrierlabor.
https://www.sum.kit.edu/Kalibrierlabor.php
https://www.sum.kit.edu/1227.php

Der Hersteller des RadRate basic hatte seinerzeit bei der Geräteeinführung einen Kalibrierauftrag erteilt und bekam das Ergbnis mit seinen geprüften Geräten und dem offiziellen Kalibrierzertifikat. Leider ist das Kalibrierzertifikat im Netz nicht mehr verfügbar, lange Zeit war es auf der Homepage des Herstellers.

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Also das ist schon verwunderlich, dass man mit 45mm^2 Fläche von 6 BPW34 dann immer noch auf 17cpm pro uSv/h kommt. Ich denk mal, beim Teviso müsste das dann ganz ähnlich funktionieren. 

Aus dem Datenblatt des BG51:

Pulse Rate vs. Radiation Rate 5 cpm ± 15% for 1 μSv/h
Energy response 70 keV to 2 MeV

Bei welcher Photonen-Energie allerdings der Hersteller diesen Wert ermittel hat, dazu fehlen jegliche Angaben, ebenso zur aktiven Messfläche.

Norbert

[DG0MG]

Leider ist das Kalibrierzertifikat im Netz nicht mehr verfügbar, lange Zeit war es auf der Homepage des Herstellers.

Hier ist es: https://web.archive.org/web/20121004133024if_/http://www.radrate.com:80/uploads/tx_ttproducts/datasheet/KIT_80uSv_RadRate-Basic_RP001_01.pdf

3,02 GBq Cs-137 @ 1861 mm. Der Strahlungsrechner sagt dazu: 76,72 µSv/h.
Dabei zeigte das Gerät 1370 ipm an. ==> 17,85 ipm/µSv/hr, wie oben von @NoLi schon geschrieben.

[opengeiger.de]

Super, vielen Dank fürs Suchen!