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Die Erfindung betrifft eine Stabanode einer Mikrofocus-Röntgenröhre.
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Mikrofocus-Röntgenröhren werden in großem Umfang bei der Untersuchung von Bauteilen unter Verwendung bildgebender Verfahren eingesetzt. Hierbei wird das zu untersuchende Bauteil mit Röntgenstrahlung bestrahlt und auf einem Bildempfänger ein Abbild des Bauteiles in dem untersuchten Bereich erzeugt.
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Bei der Untersuchung von Bauteilen mit großen Wandstärken, beispielsweise Triebwerken, Hohlkammerprofilen und verschweißten Rohren mit einer herkömmlichen Mikrofocus-Röntgenröhre treten aufgrund der Durchstrahlung der doppelten Wandungen hohe Absorptionen auf, so daß die Intensität der an dem Bildempfänger ankommenden Röntgenstrahlung für eine aussagekräftige Abbildung nicht mehr ausreichend ist.
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Aus diesem Grund werden Mikrofocus-Röntgenröhren mit einer sogenannten Stabanode verwendet, die eine rohrförmige Verlängerung relativ geringen Durchmessers aufweisen, an deren Ende sich die Quelle der Röntgenstrahlung befindet. Eine solche Stabanode kann in das zu prüfende Bauteil eingeführt und der Brennfleck in der Nähe oder direkt an der zu prüfenden Stelle plaziert werden. Mittels eines an der Außenseite des Bauteiles angeordneten Bildempfängers, beispielsweise einem Film, einer Speicherfolie oder eines Detektors, wird dann ein Durchstrahlungsbild des Bauteiles aufgenommen, anhand dessen beispielsweise Defekte des Bauteiles identifiziert werden können.
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Bei Betrieb der Röntgenröhre erwärmt sich die Stabanode. Die Erwärmung beruht zum einen auf elektrischer Verlustleistung in elektrischen Bauteilen, beispielsweise an Ablenk- oder Fokussierspulen. Zum anderen erwärmt sich das Target, auf das bei Betrieb der Röntgenröhre hochenergetisch beschleunigte elektrisch geladene Teilchen auftreffen. Die Erwärmung der Stabanode führt zu thermischen Ausdehnungseffekten, die die Geometrie der Abbildung bei Verwendung der Röntgenröhre in bildgebenden Verfahren und damit die Bildqualität negativ beeinträchtigen können. Zum anderen führt die Erwärmung der Stabanode im Bereich des Targets zu einer schnelleren Alterung von in diesem Bereich angeordneten Dichtungen. Eine Alterung der Dichtungen kann zu einer Vakuum-Leckage führen, aufgrund derer das im Inneren der Stabanode herrschende Vakuum bricht, wodurch die Röntgenröhre funktionsunfähig wird und die Dichtung ausgetauscht werden muß.
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Aus diesem Grunde ist es wünschenswert, die Stabanode bei Betrieb zu kühlen.
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Durch
US 2006/0171506 A1 ist eine miniaturisierte Röntgenröhre mit einem Kühlungssystem bekannt, das einen mehrlumigen Katheter aufweist. Über wenigstens ein Einlasslumen des Katheters wird der Anode der Röntgenröhre eine Kühlflüssigkeit zugeführt, die nach Kühlung der Anode über einen Rückflussraum zurückfließt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stabanode einer Mikrofocus-Röntgenröhre anzugeben, die eine effektive Kühlung aufweist und gleichzeitig relativ einfach aufgebaut ist.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
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Die Erfindung sieht vor, daß ein Grundkörper der Stabanode im Bereich seiner Außenfläche wenigstens abschnittsweise eine Doppelwandung aufweist, zwischen deren Wandungen wenigstens ein Kühlmittel-Zuführkanal und wenigstens ein Kühlmittel-Abführkanal aufgenommen ist. Auf diese Weise kann der durch die Doppelwandung gebildete Hohlraum von einem insbesondere flüssigen Kühlmittel durchströmt werden, über das bei Betrieb der Röntgenröhre entstehende Wärme abgeführt wird. Auf diese Weise ist eine übermäßige Erwärmung von in diesem Bereich angeordneten Dichtungen verringert, so daß eine vorzeitige Alterung der Dichtungen verhindert ist. Im Ergebnis ist damit das Risiko einer Vakuum-Leckage durch Versagen einer Dichtung verringert. Auf diese Weise ist die Stanzzeit der Röntgenröhre bis zum Austausch der Dichtung bzw. der Dichtungen verlängert. Außerdem ist die Gefahr, daß thermische Ausdehnungseffekte der Stabanode zu einer Beeinträchtigung der Abbildungsqualität führen, verringert.
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Erfindungsgemäß ist der Grundkörper an seinem freien Ende in Axialrichtung offen ausgebildet, wobei in das offene Ende ein blockartiger Targetträger eingesetzt ist. An dem Targetträger ist das Target der Röntgenröhre angeordnet, auf das bei Betrieb der Röntgenröhre zur Erzeugung von Röntgenstrahlung hochenergetisch beschleunigte elektrisch geladene Teilchen auftreffen. Der Targetträger verschließt erfindungsgemäß somit den Grundkörper der Stabanode nach Art eines Stopfens, so daß der Targetträger auf schnelle und einfache Weise abgenommen werden kann, um beispielsweise das Target zu wechseln.
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Erfindungsgemäß weist der Targetträger wenigstens einen quer zur Längsachse des Grundkörpers verlaufenden Target-Kühlkanal auf, der wenigstens einen Kühlmittel-Zuführkanal mit wenigstens einem Kühlmittel-Abführkanal verbindet. Der Target-Kühlkanal steht in Wärmeübertragungsverbindung mit dem Target, so daß den Target-Kühlkanal durchströmendes Kühlmittel bei Betrieb der Röntgenröhre an dem Target entstehende Wärme abführt. Auf diese Weise ist eine effektive Kühlung des Targets erzielt, die den Verschleiß an dem Target verringert.
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Im Ergebnis stellt die Erfindung damit eine effektive Kühlung der Stabanode, und zwar sowohl im Bereich des Targets als auch im Bereich von anderen einer Erwärmung unterworfenen Bauteilen, bei einem gleichzeitig relativ einfachen Aufbau zur Verfügung.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Stabanode durch Abnehmen des Targetträgers besonders einfach geöffnet werden kann, um beispielsweise das Target auszuwechseln.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Targetträger im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet ist, derart, daß der Targetträger in Montageposition an dem Grundkörper um die Längsachse des Grundkörpers relativ zu dem Grundkörper drehbar ist. Bei dieser Ausführungsform kann der Grundkörper um die durch die Längsachse des Grundkörpers definierte Drehachse gedreht werden. Ist das Target beispielsweise und insbesondere exzentrisch zu der Drehachse an dem Targetträger angeordnet, so können durch Drehen des Targetträgers unterschiedliche räumliche Bereiche des Targets in dem Einwirkbereich eines bei Betrieb der Röntgenröhre auf das Target auftreffenden Strahles hochenergetisch beschleunigter elektrisch geladener Teilchen gebracht werden.
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Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß in der radialen Außenfläche des Targetträgers eine erste Umfangsnut, insbesondere Ringnut, gebildet ist, die mit dem Target-Kühlkanal und in der Montageposition des Targetträgers an dem Grundkörper mit wenigstens einem Kühlmittel-Zuführkanal und wenigstens einem Kühlmittel-Abführkanal kommuniziert. Bei dieser Ausführungsform strömt das Kühlmittel von dem Kühlmittel-Zuführkanal, beispielsweise über eine Bohrung in der inneren Wandung der Doppelwandung, in die Umfangsnut und von dieser durch den Target-Kühlkanal, so daß das Target gekühlt wird. Von dem Target-Kühlkanal kann das Kühlmittel dann über die Umfangsnut und beispielsweise eine weitere Bohrung in der inneren Wandung der Doppelwandung in den Kühlmittel-Abführkanal eintreten.
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Um auf einfache Weise eine Abdichtung zwischen dem Targetträger und der Innenwandung des Grundkörpers zu erzielen, sieht eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, daß in der radialen Außenfläche des Targetträgers in Axialrichtung zu der ersten Umfangsnut beabstandet wenigstens eine zweite Umfangsnut, insbesondere Ringnut, zur Aufnahme einer Dichtung, insbesondere eines O-Ringes, gebildet ist.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist in Axialrichtung des Grundkörpers wenigstens ein zwischen den Wandungen der Doppelwandung gebildeter Ringraum in Umfangsrichtung des Grundkörpers zur Bildung wenigstens eines Kühlmittel-Zuführkanales und wenigstens eines Kühlmittel-Abführkanales unterteilt. Auf diese Weise sind zwischen den Wandungen der Doppelwandung wenigstens abschnittsweise zwei Halbring-Räume gebildet, von denen der eine als Kühlmittel-Zuführkanal und der andere als Kühlmittel-Abführkanal fungiert.
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Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß wenigstens ein Kühlmittel-Zuführkanal und/oder wenigstens ein Kühlmittel-Abführkanal in Axialrichtung des Grundkörpers wendelförmig um die Längsachse des Grundkörpers verläuft. Bei dieser Ausführungsform können die Wendel des Kühlmittel-Zuführkanales insbesondere unmittelbar neben den Wendeln des Kühlmittel-Abführkanales verlaufen.
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Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß das Target exzentrisch zu der Drehachse an dem Targetträger angeordnet ist. Auf diese Weise können durch Drehen des Targetträgers unterschiedliche räumliche Bereiche des Targets in den Einwirkbereich beispielsweise eines Elektronenstrahles gebracht werden, bei dessen Auftreffen auf das Target Röntgenstrahlung erzeugt wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, in der schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stabanode dargestellt ist. Dabei bilden alle beschriebenen, in der Zeichnung dargestellten und in den Patentansprüchen beanspruchten Merkmale für sich genommen sowie in beliebiger Kombination miteinander den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von Ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen und deren Rückbeziehung sowie unabhängig von Ihrer Beschreibung bzw. Darstellung in der Zeichnung.
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Es zeigt:
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1 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Stabanode,
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2 die Stabanode gemäß 1 in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht,
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3 in gegenüber 2 vergrößertem Maßstab eine Einzelheit aus 2,
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4 einen Radialschnitt durch die Stabanode gemäß 1,
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5 in gleicher Darstellung wie 4 eine abgewandelte Ausführungsform und
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6 in ähnlicher Darstellung wie 2 eine weitere abgewandelte Ausführungsform.
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In den Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. sich entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer Seitenansicht und 2 in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stabanode 2 einer Mikrofocus-Röntgenröhre. Aufbau und Funktionsweise einer entsprechenden Mikrofocus-Röntgenröhre sind allgemein bekannt und werden daher hier nicht näher erläutert. Unter einer Mikrofocus-Röntgenröhre wird erfindungsgemäß eine Röntgenröhre verstanden, deren Focus-durchmesser ≤ 200 μm insbesondere ≤ 10 μm ist. Damit werden unter Mikrofocus-Röntgenröhren im Sinne der Erfindung auch sogenannte Nanofocus-Röntgenröhren verstanden.
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Die Stabanode 2 weist einen rohrartigen und im wesentlichen zylindrischen Grundkörper 4 auf, dessen proximales Ende 6 bei Benutzung mit der Mikrofocus-Röntgenröhre verbunden ist und dessen distales Ende 8 bei Benutzung in einen Hohlraum eines untersuchenden Bauteiles eingeführt werden kann.
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Die Stabanode 2 weist ein Target 10 auf, auf das bei Benutzung der Stabanode 2 hochenergetisch beschleunigte elektrisch geladene Teilchen, beispielsweise Elektronen, auftreffen, so daß in bekannter Weise Röntgenstrahlung erzeugt wird, mittels derer ein zu untersuchendes Bauteil durchstrahlt wird.
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3 zeigt in vergrößertem Maßstab eine Einzelheit aus 2. Erfindungsgemäß weist der Grundkörper 4 im Bereich seiner Außenfläche 12 eine Doppelwandung 14 mit einer Innenwandung 16 und einer Außenwandung 18 auf. Zwischen der Innenwandung 16 und der Außenwandung 18 ist ein Ringraum 20 gebildet, der weiter unten anhand von 4 in näher erläuterter Weise in zwei Halbring-Räume unterteilt ist. Ein in 3 links von einer senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden Längsmittelebene liegender Halbring-Raum definiert bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen Kühlmittel-Zuführkanal 22, während ein in 3 rechts von der senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden Längsmittelebene liegender Halbring-Raum einen Kühlmittel-Abführkanal 24 definiert. Bei Benutzung der Stabanode 2 durchströmt ein vorzugsweise flüssiges Kühlmittel den Kühlmittel-Zuführkanal 22 und den Kühlmittel-Abführkanal 24, um die Stabanode 2 zu kühlen.
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Der Grundkörper 4 ist an seinem freien Ende, d. h. seinem distalen Ende 8 axial offen ausgebildet, wobei in das offene Ende ein blockartiger Targetträger 26 eingesetzt ist, der das Target 10 hält. Der Targetträger 26 weist einen quer zur Längsachse des Grundkörpers 4, die in 3 durch eine gestrichelte Linie 28 symbolisiert ist, nämlich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel radial zu der Längsachse 28 verlaufenden Target-Kühlkanal 30 auf, der den Kühlmittel-Zuführkanal 22 mit dem Kühlmittel-Abführkanal 24 verbindet. Zur Verbindung des Kühlmittel-Zuführkanales 22 mit dem Target-Kühlkanal 30 in Montageposition des Targetträgers 26 an dem Grundkörper 4 ist in der Innenwandung 16 eine radiale Bohrung 32 gebildet. In hierzu entsprechender Weise ist in der Innenwandung 16 diametral zu der Bohrung 32 gegenüberliegend eine weitere Bohrung 34 gebildet, die zur Verbindung des Target-Kühlkanales 30 mit dem Kühlmittel-Abführkanal 24 dient.
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In der radialen Außenfläche des Targetträgers 26 ist eine erste Umfangsnut 36 gebildet, die mit dem Target-Kühlkanal 30 und in der in 3 dargestellten Montageposition des Targetträgers 26 an dem Grundkörper 4 mit dem Kühlmittel-Zuführkanal 22 und dem Kühlmittel-Abführkanal 24 kommuniziert. Bei Benutzung der Stabanode 2 strömt das Kühlmittel durch den Kühlmittel-zuführkanal 22, wie in 3 durch einen Pfeil 38 angedeutet, zu dem distalen Ende 8 des Grundkörpers 4 und dort durch die Bohrung 32 und die Umfangsnut 36 in den Target-Kühlkanal 30, so daß die Stabanode 2 in diesem Bereich gekühlt wird. Nach dem Vorbeiströmen an dem Target 10 strömt das Kühlmittel durch die Umfangsnut 36 und die Bohrung 34 in den Kühlmittel-Abführkanal 24 und von dort in Richtung auf das proximale Ende 6 des Grundkörpers 4, wie in 3 durch einen Pfeil 40 angedeutet.
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Wie aus 3 ersichtlich ist, ist der Targetträger 26 bei diesem Ausführungsbeispiel im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet, derart, daß der Targetträger 26 in der in 3 dargestellten Montageposition an dem Grundkörper 4 um die Längsachse 28 des Grundkörpers 4 relativ zu dem Grundkörper 4 drehbar ist. Die Längsachse 28, die mit der Strahlachse eines bei Benutzung der Stabanode 2 das Target bestrahlenden Elektronenstrahles oder dergleichen zusammenfällt, bildet somit eine Drehachse zur Drehung des Targetträgers 30 relativ zu dem Grundkörper 4. Dadurch, daß der Target-Kühlkanal über die erste Umfangsnut 36 mit den Bohrungen 32, 34 kommuniziert, bleibt der Target-Kühlkanal 30 auch bei einer Drehung des Targetträgers 26 um die Drehachse 28 in Verbindung mit dem Kühlmittel-Zuführkanal 22 und dem Kühlmittel-Abführkanal 24.
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In 3 ist das Target 10 bezogen auf die Drehachse 28 im wesentlichen zentrisch an dem Targetträger 26 angeordnet dargestellt. Das Target 10 kann jedoch auch zu der Drehachse 28 exentrisch an dem Targetträger 26 angeordnet sein, so daß bei Drehung des Targetträgers 10 um die Längsachse 28 unterschiedliche räumliche Bereiche des Targets 10 in den Wirkbereich eines entlang der Drehachse 28 einstrahlenden Elektronenstrahles oder dergleichen gebracht werden können. Da hierdurch die Abnutzung des Targets 10 räumlich verteilt wird, ist auf diese Weise die Standzeit des Targets 10 verlängert.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Targetträger 26 in seiner radialen Außenfläche axial zu der ersten Umfangsnut 36 beabstandet eine zweite Umfangsnut 42 sowie eine dritte Umfangsnut 44 auf, die jeweils als Ringnuten ausgebildet sind und jeweils eine Dichtung in Form eines O-Ringes 46, 48 aufnehmen. Wie aus 3 ersichtlich ist, befindet sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die erste Umfangsnut 36 in Axialrichtung des Grundkörpers 4 zwischen der zweiten Umfangsnut 42 und der dritten Umfangsnut 44. Durch die O-Ringe 46, 48 ist der Targetträger 26 gegen den Grundkörper 4 abgedichtet.
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Zur Montage des Targetträgers 26 an dem Grundkörper 4 wird der Targetträger 26 stopfenartig in das offene axiale Ende des Grundkörpers 4 eingeführt, wobei ein axialer Absatz 50 an der radialen Außenfläche des Targetträgers 26 einen Anschlag bildet. In der in 3 dargestellten Montageposition befindet sich der Target-Kühlkanal 30 in Axialrichtung des Grundkörpers 4 gegenüber den Bohrungen 32, 34. Aufgrund der Elastizität der O-Ringe 46, 48 ist der Targetträger 26 ohne zusätzliche Haltemittel elastisch federnd an dem Grundkörper 4 gehalten, wobei der Targetträger 26 falls erforderlich um die Drehachse 28 gedreht werden kann.
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Bei Betrieb der Stabanode 2 wird diese ringartig von dem zwischen den Wandungen 16, 18 der Doppelwandung 14 strömenden Kühlmittel umströmt und damit gekühlt. Durch das den Target-Kühlkanal durchströmende Kühlmittel wird die Stabanode 2 im Bereich des Targets 10 gekühlt. Dadurch werden auch die in diesem Bereich angeordneten Dichtungen 46, 48 gekühlt, so daß eine durch übermäßige Erwärmung der Dichtungen 46, 48 hervorgerufene vorzeitige Alterung zuverlässig vermieden ist.
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Die Erfindung stellt damit eine Stabanode 2 zur Verfügung, die bei einem relativ einfachen und kostengünstigen Aufbau effektiv gekühlt werden kann.
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4 zeigt einen Radialschnitt durch den Grundkörper 4 in einem axialen Bereich 52 in 3. Es ist ersichtlich, daß bei diesem Ausführungsbeispiel der Ringraum 20 durch Trennelemente 54, 54' in Umfangsrichtung des Grundkörpers 4 in einen ersten Teilraum, der den Kühlmittel-Zuführkanal 22 definiert, und einen zweiten Teilraum, der den Kühlmittel-Abführkanal 24 definiert, unterteilt ist.
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5 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, die sich von der Ausführungsform gemäß 4 dadurch unterscheidet, daß eine Mehrzahl von Kühlmittel-Zuführkanälen 22 und eine Mehrzahl von Kühlmittel-Abführkanälen 24 vorgesehen sind, die jeweils in Axialrichtung der Stabanode 2 verlaufen.
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6 zeigt in einer zu 2 ähnlichen Darstellung eine weitere abgewandelte Ausführungsform, bei der der Kühlmittelzuführkanal 22 und der Kühlmittel-Abführkanal 24 wendelförmig um die Längsachse 28 verlaufen.
