快脉冲直线变压器驱动源 (FLTD)是目前经济、高效构建大型脉冲功率源的重要技术途径，但其多 “子块”串并联的电路拓扑对开关提出极严苛的技术要求。针对多开关同步时系统自放电概率骤增的难题，开展 FLTD气体火花开关自放电特性研究。选取三电极场畸变和多间隙两种典型开关结构，在 ±100 kV条件下研究放电电流和开关结构参数对自放电概率的影响规律。研究结果表明， 29 kA脉冲电流多次作用下，三电极场畸变开关和六间隙开关自放电电压均服从 Weibull分布，三电极开关放电分散性约 4%，而六间隙开关放电分散性超过 15%，两类开关均出现较明显的提前放电现象。分析认为开关放电分散性大与中间电极悬浮导致间隙电压分布不均有关，采用电阻强制均压的方式，三电极场畸变和六间隙多通道开关放电分散性明显减小，分别减小至 2%和 5%。

气体火花开关作为重要部件被大量地应用于直线感应加速器和Z箍缩等大型脉冲功率装置中。绝缘结构设计不合理会使得气体火花开关中出现局部电场畸变和电荷积聚等现象。在高电压脉冲下长时间或高频次运行时, 火花开关中的绝缘子会发生沿面闪络现象, 直接影响到脉冲功率装置的正常运行。鉴于此, 对气体火花开关中的绝缘结构进行了有限元电场分析, 用表面电荷的积聚定性解释了沿面闪络发生的原因。通过对绝缘子的几何结构和电极尺寸的优化设计, 有效降低了绝缘子表面和电极表面的电场强度, 其中阳极三结合点场强从9.4 kV/mm降至1.5 kV/mm, 阴极三结合点场强从2.95 kV/mm降至0.98 kV/mm, 绝缘子表面最高场强从10.8 kV/mm降至4.95 kV/mm。优化后的绝缘结构电场分布较为合理, 降低了由于表面电荷的积聚而引发沿面闪络的概率。

氩气中一般含有大量亚稳态原子, 在强外电场作用下容易产生自由电子, 能够促进放电通道快速形成。采用场畸变型气体开关, 在直流电压下设计了实验平台来探究气体开关中采用SF6-Ar或N2-Ar混合气体后放电时延及抖动的变化情况。改变多种气体状态进行一系列实验, 并得出场畸变气体火花开关中SF6-Ar及N2-Ar的击穿特性, 根据工程需要对气体种类及混合比例进行最优化设计。实验表明SF6-Ar中Ar质量分数达到20%及以上时, 开关放电时延及抖动明显减小。

气体火花开关的初始放电过程对研究其工作状态有着非常重要的影响，通过基于网格粒子法-直接蒙特卡罗法(PIC-DSMC)耦合算法模拟了气体火花开关从放电开始到等离子体通道初步形成的完整过程，得到了电子和离子的数密度时空分布变化，分析了间隙中电场分布随时间变化规律，完整清晰地揭示了气体火花开关从放电初始到等离子体通道初步形成的物理过程，并初步开展了气体火花开关击穿过程的光学诊断实验，为进一步深入研究气体火花开关的物理机理打下了基础。

设计了一种新型的同轴三电极结构, 仿真计算结果表明开关在充电及触发时电场最大值区域均匀性良好。引入循环吹气系统能够控制放电产物的流向, 减小对开关绝缘结构内壁的污染, 可在提高气体绝缘恢复能力的同时延长开关绝缘外壳寿命。在重频实验条件下(±40 kV/20 kA/0.1 Hz)进行了寿命考核实验, 目前单个开关寿命考核实验已大于17.2万发次, 开关工作稳定, 自击穿电压特性和触发延时抖动特性良好。

在工作气压和火花间隙固定的条件下, 针对稍不均匀场的圆饼形电极开关开展了不同电极材料下开关自击穿实验, 开关间隙距离为5 mm, 工作气压为0.25 MPa, 击穿电压平均值为40 kV。分别选取了不锈钢、黄铜、钨铜合金和石墨材料作为实验对象, 对比了不同电极材料下电极质量损失、电极表面形貌和开关静态特性的差异。实验结果表明, 石墨电极质量损失速率略高于金属电极, 但是由于石墨电极烧蚀产物多为气体, 因此石墨电极绝缘子污染程度远小于金属电极。石墨电极开关在低欠压比下自击穿概率也远小于金属电极开关。三种金属电极开关, 其静态特性差异不大, 但钨铜电极烧蚀程度显著低于不锈钢和黄铜电极开关。

气体开关是脉冲功率技术中广泛应用的关键部件之一,高功率、高性能气体开关的技术研究及设计具有重要意义,陡化前沿是开关技术研究的重要内容。分析了气体开关的击穿机理和击穿通道的分布规律。对气体开关充分“老练”,开关击穿点和击穿通道将相对稳定,实验研究了开关间距和电场对脉冲前沿的影响。击穿电场较低时,减小开关间距有利于陡化脉冲前沿；击穿电场较大时(大于180 kV/cm),开关间隙(电感)对输出脉冲前沿的影响减弱,气体开关的击穿电场成为影响输出脉冲前沿的关键因素。研究结果表明,增大开关的击穿场强,是陡化开关脉冲前沿的有效途径。

针对直线变压器驱动源(LTD)对开关的长寿命需求, 基于前期研制的200 kV低抖动多间隙气体开关电极几何参数以及开关通流水平, 详细开展了不同电极材料(钼、黄铜、铜钨合金、高密度石墨、304和321不锈钢 )的烧蚀性能实验。实验结果表明, 在单次电荷转移量15.4 mC, 脉冲电流20 kA条件下, 体积烧蚀速率从大到小依次为: 石墨、黄铜、铜钨合金、钼、不锈钢。电极烧蚀微观形貌分析表明, 不锈钢是用于LTD开关相对较好的电极材料。根据不锈钢电极的体积烧蚀速率, 可知理论上LTD开关的运行寿命可以超过1×106次, 但前提是开关外壳需保持足够的绝缘强度。