基于电磁驱动实验装置CQ-7研制需求, 设计了一套6间隙气体开关, 开关高131 mm, 直径108 mm, 总间隙36 mm, 开关电感约40 nH。采用模拟软件Ansoft Maxwell计算分析开关电场强度分布, 电场分布较均匀, 不均匀系数为1.14。开展了开关放电特性研究, 充电±100 kV条件下, 开关放电电流峰值可达70 kA, 放电延时约35 ns, 抖动3 ns。根据开关自击穿电压值, 采用正态分析开关自击穿概率, 开关80%安全系数下, 自放电概率小于10-4。该开关满足CQ-7实验装置研制需求。

针对快前沿直线脉冲变压器驱动源(FLTD)系统中放电开关自击穿性能劣化的问题, 模拟计算了带电线缆、FLTD模块结构对开关间隙电场分布的影响规律, 研究分析开关自击穿性能下降的主要原因, 开展了电晕针均压和电阻均压两种方式下开关自击穿性能对比实验, 获得了不同电晕针长度、不同阻值开关自击穿电压的变化规律: 两种均压方式下开关自击穿电压分别提高3.2%和4.3%。FLTD系统中放电开关有均压措施的情况下, 系统自击穿电压提高8.9%, 自放电概率降低60%, 系统短路输出电流的稳定性明显提高, 电流幅值提高8.1%, 标准偏差减小30.8%。

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。

在不同短路电流条件下，进行了不锈钢(1Cr18Ni9Ti)电极气体火花开关连续多次自击穿放电实验，通过测量电极质量损失、表面粗糙度和自击穿电压的变化，研究电极烧蚀特性及其对自击穿性能的影响。实验结果表明: 随着放电电流峰值和周期增大，电极材料烧损速率与电容电荷量呈线性增加，而电极表面烧蚀粗糙度与电流峰值呈线性增大，自击穿电压变化达到峰值和稳定区的放电次数减少，但稳定阶段的自击穿电压值及其相对标准偏差同时减少，五种放电电流情况下，自击穿电压概率密度分布均遵循高斯函数。

针对快放电直线脉冲变压器驱动源初级储能开关，调节开关气压，进行相同自击穿电压下不同间隙长度的开关自击穿实验。通过监测自击穿电压分布规律变化，研究开关间隙长度对开关自击穿特性的影响。结果表明，当开关间隙长度较大时，电极表面粗糙度较小，表明电极烧蚀程度较低。开关间隙长度为6 mm时，开关自击穿电压分散性达到最小，自击穿电压分布符合高斯函数，间隙长度大于6 mm时自击穿电压分布符合极限函数。适当增加开关间隙长度使自击穿电压分布失去对称性，有利于开关在低欠压比下获得更好的静态性能。针对电极结构，选择开关间隙长度为6~9 mm时能够获得最佳的静态性能。初步分析，引起开关自击穿电压分布发生改变的原因是电场强度的改变对阴极电子发射产生了影响。

阐述了Z箍缩驱动惯性聚变装置对快脉冲直线变压器气体开关的需求背景，介绍了快脉冲直线变压器气体开关技术发展的基本要求及国际研究进展，归纳了近年来主要研究成果和对当前研究有重要借鉴意义的结论，给出了提高静态稳定性、降低触发阈值和延长开关寿命的措施。介绍了气体放电的汤逊和流注理论，指出：在不大于1.5×106 Pa·cm范围内，汤逊理论完全适用于描述气体开关自击穿过程。根据巴申定律、Meek击穿判据，给出了开关气压和间距设计要点，分析了多间隙开关间隙数量和间隙的电压分布均匀性对开关自击穿电压的影响。根据触发击穿延时经验公式，归纳了降低触发电压阈值的技术途径。介绍了1维的电极熔蚀判据，并总结了减轻电极烧蚀的方法和措施。最后指出开关技术研究总体策略和方法。

针对设计的一种堆栈式结构多间隙气体开关，分析了绝缘子污染对开关寿命的影响机理。对绝缘子表面电场分布进行了模拟计算，实验研究了绝缘子污染对开关自击穿电压的影响，得到了开关自击穿电压和绝缘子表面绝缘电阻的变化规律，开关在放电电流32 kA实验条件下工作13 000次后，自击穿电压平均值由171.5 kV降低至130.8 kV，绝缘子表面绝缘电阻由200 GΩ下降至22.6 GΩ，绝缘子已无法正常使用。同时提出了提高绝缘子抗污染能力、延长绝缘子寿命的措施和方法。

针对一种用于快前沿直线脉冲变压器驱动源的多间隙气体开关，设计了针式和孔式两种预电离触发结构，获得了两种预电离结构下开关的自击穿特性和触发特性。实验结果表明:增加预电离针后，开关静态特性没有明显变化，开关自击穿电压平均值变化幅度小于3%;开关触发特性明显改善，开关工作电压150 kV、触发电压60 kV时，触发抖动减小约20%，触发阈值降低5~10 kV。对于针式预电离结构，实验研究了不同触发电压、工作气压、电离间隙距离时紫外光强度的变化规律,结果表明在电离间隙距离1.5~3.0 mm时，开关触发抖动小于2.0 ns，预电离效果明显。

研制了大电流、大库仑两电极气体开关,并研究了其静态特性,给出了开关自击穿概率拟合公式。结果显示:自击穿电压与工作气压基本呈线性递增关系;随着气压的升高,自击穿电压的分散性逐渐增大。数值模拟和实验对比显示,开关自击穿电压的分散性基本满足两参数威布尔分布。该项研究成果能够为选择开关的工作电压及充气压力提供参考,以满足能源系统可靠性的要求。

报道了4 MV激光触发多级多通道开关的结构设计和初步的实验结果及分析.该开关采用轴向聚焦触发方式,设计为匀场结构,采用场调整环与匀压环调整开关间隙电场分布,电极-绝缘子序列采用堆栈结构替代榫接结构,独立定位、紧固.实验结果表明:4 MV激光触发多级多通道开关的自击穿电压偏差小于5%,自击穿电压与工作气压呈良好的线性关系;触发延迟时间约25 ns,极差小于±2.5 ns,抖动1.5 ns;等工作电压-气压比条件下,随着气压和工作电压的上升触发延迟时间及其抖动趋向下降.