近年来,脉冲功率技术在科学研究和工业工程得到广泛应用,其中低电感高能密度的紧凑型Marx发生器以其体积小、重量轻、能效高,且可重复频率运行等优点获得了广泛的工程应用。气体开关作为Marx发生器的关键结构部件,直接决定着发生器的输出特性与运行特性。它不仅需要导通强电流、大电荷量脉冲,且能够准确触发,由此三电极开关与两电极开关相比具有运行可控性好、闭合时间短、抖动及延时小等优点。Marx发生器中的三电极开关自击穿过程对Marx发生器的设计和安全稳定运行至关重要。本文分别从电极本体结构设计、绝缘支撑选择、极间距、绝缘介质选择等几方面给出三电极气体开关系统设计方案。为实现系统极板间距可调,保证主放电电极内部电场均匀度要求,选择以聚四氟乙烯为绝缘支撑,提出其伞裙设计结构,以提高全场域绝缘强度的同时保证开关系统绝缘安全、可靠、稳定工作。搭建三电极气体开关系统实验平台,并分别对不同电极间隙、不同气压下进行静态击穿实验,研究结果表明,以SF₆气体介质为研究对象,随主电极间隙和极间SF₆气压增大,自击穿电压渐增;随气压升高,击穿电压分散性渐增,开关静态稳定性降低。针对所设计电极系统,得到100kPa气压以内、电极间隙为4.3mm时开关静态击穿特性最为稳定。针对系统自击穿微观过程研究,建立流体-化学混合模型,以自击穿实验数据为初始条件,数值模拟三电极开关系统初始放电过程,并对该过程的物理机理及影响因素进行定量分析。研究表明,放电初始阶段至等离子体通道形成其微观过程中,阴极因场致发射产生初始电子;电子不断向阳极运动,并与其他粒子相互作用,导致触发极与主电极极间的等离子体通道初步形成;随放电时间增加至10ns时,在近极边缘处形成相对稳定的等离子体通道。等离子体通道区域电子密度最大值出现在阴极鞘层外,阴极鞘层内电子密度近似为零;电子温度主要集中在空间电场强度最大的近阴极区。比较真空、N₂和SF₆三种介质中等离子体通道特性:真空介质中电子密度最大,SF₆中电子密度最小;N₂介质中电子温度最高。比较不同间距、不同极板面积情况下等离子体电子密度横向分布,随电极间距增大,等离子体通道形成时电子密度分布均匀度增大,且电弧区域向外扩散;上极板半径为45mm时,等离子体通道形成是电子密度最小,且横向分布最均匀。