快脉冲直线变压器驱动源(FLTD)因不需要脉冲压缩环节直接输出高功率快前沿脉冲,极大的减小了脉冲装置的体积和经济成本,在脉冲功率技术领域具有广阔的应用前景。气体开关是FLTD装置中实现能量转换和传输的关键部件,开关闭合导通使得多个模块串并联运行,从而实现脉冲电压和电流的叠加。因此,气体开关特性将直接影响到装置的脉冲输出性能。减小开关的时延和抖动有利于模块的精确同步运行,从而减小输出脉冲的前沿,提高其稳定运行能力。此外开关的静态参数、动态特性、开关寿命、重复频率运行能力也是影响装置运行性能的关键参数。结合FLTD装置对气体开关的参数要求,本文通过理论计算和软件模拟,完成了±100k V气体开关的优化设计,并通过电路模拟仿真开关的相关性能,掌握开关各参数对输出脉冲的影响规律。本文的主要研究内容如下:首先,分析了气体开关的导通机理,用流注理论解释了气体开关的导通过程;概述了常用气体开关的结构与工作原理;分析了常用FLTD气体开关的结构与工作原理,包括多间隙与紫外预电离气体开关。因紫外预电离气体开关火花放电时的紫外照射会引发空间光电离以及阴极表面电离,能够减小开关的时延和抖动,本文以紫外预电离开关为研究对象,文中所描述的FLTD气体开关特指此种类型的开关。其次,对用于FLTD的气体开关进行优化设计,本文对间隙距离进行了计算,考虑到开关工作电压以及腔体压力,开关主间隙由两个间隙为10mm的间隙串联,开关腔内的气压为0.5MPa左右;通过COMSOL仿真分析了电极结构对开关间隙电场的影响,提高了电极的利用率;通过COMSOL仿真分析了绝缘筒沿面电场,仿真结果表明绝缘腔内刻槽与增加一个内绝缘筒能够增加沿面距离,减小绝缘表面电场,防止沿面闪络;此外内绝缘筒的屏挡设计,可防止电极烧蚀物的溅射;通过仿真分析和理论计算校验了开关的机械强度,开关设计满足机械强度要求。最后,利用COMSOL对气体开关触发前后静电场进行仿真分析,结果表明开关触发前最大场强出现在电极倒圆角处,电场不均系数f为1.24,开关施加触发脉冲后过电压的倍数为1.79,开关能在触发后可靠击穿;利用PSPICE建立了开关放电回路模型,仿真分析了触发回路的电感、隔离电容、接地电阻、保护电阻、预电离隔离电容等参数变化对触发脉冲峰值和上升沿的影响;通过PSPICE仿真分析回路参数对脉冲输出的影响,掌握了脉冲峰值和上升沿变化的基本规律。通过这些仿真分析验证了开关的性能,设计的气体开关能够达到设计的预期目标。