真空触发开关(Triggered Vacuum Switch, TVS)是脉冲功率技术中一种可控性良好的大功率开关器件,其机理研究是当前开关电器领域的前沿课题之一。TVS初始等离子体的产生和发展是其能够成功导通的关键,对它的运行特性(如触发可靠性、时延特性、触发精度和工作寿命等)有重要的影响。本文研究场击穿型真空触发开关(Field-Breakdwon Triggered Vacuum Switch, FTVS)运行时初始等离子体的形成与扩散机理,并探索初始等离子体对主间隙导通特性参数的影响,重点对触发可靠性、工作时延、触发精度(抖动时间)的影响。在此基础上,设计了几种FTVS。本文可支持脉冲功率控制开关的基础研究,并可将所设计的系统用于电磁发射等脉冲功率应用场合。本文首先从宏观和微观机理两方面来描述FTVS在真空间隙中的场致发射产生初始等离子体的过程。以此分析出发,通过数学建模方法,引入热力学方程,建立了真空放电阴极斑点热传导模型来描述FTVS初始等离子体的微观特性。FTVS初始等离子体的微观发展特性很大程度上体现在FTVS的触发时延,利用建立的热传导模型计算了FTVS的触发时延,理论结果与典型的实验数据相吻合,证明了所建模型的正确性。FTVS初始等离子体微观特性研究为FTVS的开通和运行性能的优化设计提供了理论支持。为了检验本文提出的FTVS初始等离子体微观特性,设计了两种不同触发极结构的FTVS,针形触发极TVS-1和T形触发极TVS-2,通过大量的实验来研究其基本工作特性,如：触发能量对触发系统时延及其分散性的影响、触发能量对主间隙最小导通电压的影响、主间隙电压对触发时延及其分散性乃至触发成功率的影响。结果表明,优化设计后的T形触发极TVS-2在各方面表现出更好的特性。同时设计了一个不涂触发材料的特殊FTVS,探索其恶劣条件下的触发以及因触发材料燃烧殆尽后的寿命问题。为了支持FTVS在电磁发射等脉冲功率中的应用,制作了两种触发源控制器,分别采用汽车点火线圈或彩电高压包为脉冲变压器,产生负或正高压脉冲,构造不同FTVS的控制系统。在控制回路和基本触发源回路之间采用光纤隔离,可以实现高压源和信号系统的分离。控制器输出脉冲峰值高,续流能量充足,能够保证触发非常困难的不涂触发材料的特殊FTVS正常导通。围绕影响FTVS开通稳定性的关键因素触发电压和触发能量展开了进一步讨论。初始等离子体的密度直接反映在触发能量的大小上,只有触发能量充足,才能引发FTVS的稳定开通。为研究所设计FTVS的电气特性,搭建了LC振荡回路为基础的实验平台,主回路参数可调。测试结果表明设计的FTVS工作电压范围宽,在0.3-40kV之间,工作电流设计容量在60kA／10C以上。FTVS样品工作可靠性高,调节触发参数可使其在合理的工作范围内触发率达100%。由于FTVS的触发脉冲要求高和脉冲变压器性能受限,所以系统时延往往比较大,一般在几十微秒,且分散性较大。实验获得具体的触发时延结果,在数百纳秒量级,所包含的两部分时延——产生触发电弧电流的时延(t1)和主间隙电流发展的时延(t2)与热传导模型的仿真计算步骤分别相对应。结果还表明,t1决定于FTVS的结构设计和脉冲源;t2随工作电压的增加呈指数型减小。如果主电极负极性,t1和t2时延分别在10μs数量级,说明负极性下触发困难、触发时延长。FTVS的导通实际上是一个真空电弧的燃弧过程。利用高速摄影技术获得了起弧时刻的初始等离子体产生和发展图像,这是对FTVS导通起始时刻的直观展示。根据触发能量的不同对起弧过程中初始等离子体的不同发展进行了分析。结果表明为保障起弧稳定,既要有足够高的脉冲电场强度,又要有充足的触发能量。在此基础上,拍摄了真空电弧燃弧过程,分析了真空电弧的燃弧过程特点。研究了FTVS真空电弧在LC回路中的燃弧时间,结果说明FTVS样品在工作过程中的燃弧稳定,保证了真空电弧能维持到零点附近熄灭,即在小电流过零时产生有效的开断,且如果第一半波过零点电流变化率小于164.TA／μs,则FTVS表现出良好的反向截流特性。