高功率纳秒脉冲技术中常使用气体开关,并需要多开关串联或是并联来分别提高电压和电流等级。经典的Marx发生器可实现多开关串联下的过压自同步,而多开关并联的电路,则通常需要外置触发进行同步。基于TLT(Transmission Line Transformer)的多开关脉冲发生技术,是一种可以实现开关自动过压同步,并且可以并联汇流输出的新技术,非常适合于高重复频率、长时间运行的工业应用。同时TLT同等离子体反应器之间良好的匹配和能量转换效率,在等离子体废气、废水处理等环境应用中,展现了良好的前景。基于该技术原理,本文开展了一套GW级多开关TLT脉冲等离子体源成套设备的研制工作,系统主要包含20开关20级TLT脉冲源、多绕组谐振充电变压器、D-I(Differential-Integral)纳秒脉冲高压探头,分别从原理分析、设计过程及实验结果三方面对各装置进行了论述,并开展了脉冲源的水处理应用研究,主要研究内容和结论如下：1)脉冲源采用20开关20级TLT,单级由5.6nF储能电容、3电极火花开关和5根同轴电缆组成的TLT构成,电容、开关、TLT输入端全部集成到一个紧凑的开关单元,以减小杂散电感而提高输出特性。首次实现了20个火花开关的有效自动同步,同步时间为数十ns。单级采用串联输出到匹配电阻时,可得到20路倍压的同步脉冲输出,脉冲上升时间约15ns,脉宽约70ns,峰值电压可达200kV,不同级之间输出的脉冲前沿时差小于2ns。2)基于TLT的二次阻抗模型,建立了一套开关同步过程中过压分布的数值计算方法,并适用于任意开关个数的TLT电路。分析结果显示当某级开关导通后,该级电容产生的过压主要分布在尚未导通的两个邻级上,意味着即便在开关数量较多的条件下,首个开关的导通亦可有效触发相邻开关,并进一步引发连锁反应,完成所有开关的同步。3)D-I系统中常将微分端整合于被测点中,本文则采取了独立的探头式设计,微分端和积分端均采用了紧凑的同轴结构。探头的电压测量范围可达200kV以上,95%精度下的带宽为49.5kHz-40.6MHz,不同探头之间一致性优异。4)谐振变压器采用4铁芯8对绕组的设计,所有8个原边串联保证了注入每个绕组或是铁芯的能量相等,所有8个副边并联使得电流可以均分到8个整流硅堆,设计单次最大能量300J。该设计解决常规单铁芯变压器在大能量谐振充电时,铁芯体积需求过大和整流硅堆电流负荷过大的问题。理论分析表明多个铁芯之间磁导率的个体差异,对变压器的均流特性不产生影响,实测8个副边的单路电流同总电流比值最小为11.7%,最大为13%,均流效果良好,变压器的能量转换效率约为94%。5)采用4开关TLT脉冲源和沿面放电等离子体反应器进行了水处理的应用研究,两者之间的能量效率在63-73%之间,随电压的升高和储能电容的减小而降低。靛蓝二磺酸钠的脱色处理中,系统整体脱色能效在1.60-2.06g/kWh之间,单次能量2J左右时最高。典型工作参数下,液相中过氧化氢的产率为1.02g/kWh,大肠杆菌则可在6J/mL能量密度下实现5.6个对数的灭活。