等离子体垫圈枪可生成高密度的等离子体,在低温等离子体应用领域与核聚变领域均有着广泛运用。目前随着直线核聚变装置的兴起,有关场反位型等离子体的研究热度有了显著的提升,华中科技大学正在建设一台大型场反位形实验装置HFRC。等离子体垫圈枪作为其源区核心部件之一,主要作用有:提供种子等离子体优化预电离以及抑制场反等离子体的旋转不稳定性,是HFRC形成高性能场反等离子体的关键。等离子体垫圈枪的结构特点在于其独特的垫圈堆叠结构,其阴、阳极多为平板或类平板结构,阴、阳极之间的金属垫圈与绝缘垫圈交替组合定义放电通道。工作气体一般从阴极区域注入,通过强电流放电生成等离子体并随气流从阳极口喷出。由于垫圈枪结构是从工程经验中总结出的装置模型,只有模糊的设计理念,缺乏理论及数据上的分析。因此垫圈枪的运行特性、结构作用、等离子体参数等依然需要进一步摸索。本文基于垫圈枪模型,设计了长杆垫圈枪装置并以此搭建实验平台,开展了一系列有关等离子体垫圈枪运行特性、等离子体参数特性的实验研究工作,并结合实验成果设计优化了适用于HFRC的大型等离子体枪。首先,本文设计了长杆等离子体枪及配套的真空室、等离子体诊断系统。接着在此基础上搭建实验平台,研究了长杆等离子体枪的注气特性、伏安特性等。并采用发射光谱法,利用ADAS数据库拟合获得等离子体参数,进一步研究了长杆等离子体枪喷出等离子体的电子温度、电子密度参数随放电电流、注入气压与轴向位置的参数演化趋势。研究表明电子温度、密度随电流上升而上升,随注气气压增大而减小,沿轴向距离略微衰减。当前长杆等离子体枪可以产生ne≈1019 m-3,Te≈7 e V的等离子体流。最后,基于长杆等离子体枪的实验运行经验,本文提出了大型等离子体枪的设计方案,包含了机械结构设计与脉冲电源设计。为了进一步提高等离子体温度密度并保证均匀性,机械结构方面采用了阻挡式进气腔、尖端电极、延长放电通道等优化方案。脉冲电源采用脉冲形成网络方案,满足了输出电流能维持平台的需求,预期能输出性能可达最大电流10 kA,最大电压2 kV,持续时间2 ms。