等离子体相对论微波发生器（PRMG）可以产生宽带高功率微波输出，同时又具有良好的频率可调谐性，因此在雷达、通信、电子对抗和物体探测等诸多领域均具有良好的应用前景。PRMG通常采用加载环形等离子体束的圆柱波导作为其波束互作用区，工作模式为慢等离子体波TM₀₁模（下称P-TM₀₁模）。P-TM₀₁模的色散特性及其变化规律对PRMG输出性能有着重要影响。利用全电磁粒子模拟程序对加载环形等离子体束的圆柱波导中P-TM₀₁模的色散特性和场分布进行了粒子模拟和分析，获得等离子体束密度n_p、径向厚度Δr_p和径向位置r_p以及外加引导磁场强度B_z和波导半径r_w等参数对P-TM₀₁模的色散特性和场分布的影响规律。主要研究结果包括：（1）一定范围内，n_p 和Δr_p的变化对色散特性影响较大，r_p，B_z和r_w的变化对色散特性影响较小。值得关注的是，由于波导中环形等离子体束的存在，随着波导半径r_w的增加，相同纵向波数k_z对应的P-TM₀₁模的频率没有降低而是略有提高。因此，在实际应用时，可以适当加大波导径向尺寸以提高器件功率容量；适当降低磁场，则有利于提高器件的紧凑性。（2）P-TM₀₁模的纵向电场的方向不随径向位置变化，径向电场的方向在等离子体束内外两侧相反，外侧的场分布与同轴波导中TEM模相似。（3）主要物理参数变化时，场分布基本特点不会改变。但随着纵向模式数N和k_z相应增加，电场能量向等离子体束收拢，不利于波束相互作用和电磁场的耦合输出。因此为了PRMG的高效运行，束波互作用的共振点最好落在k_z相对较小的区域。上述研究结果对PRMG的设计和优化具有一定的理论参考价值。

建立了混合多组分等离子体高压查尔特鞘层动力学模型，数值研究了氘钛等离子体高压查尔特鞘层特性。理论与数值研究结果表明，提升D⁺离子比例、降低D⁺离子及Ti²⁺离子入鞘速度、降低等离子体密度等方式，均会有效增加鞘层厚度，并降低靶面场强幅值，这些方式有利于离子汇聚传输和降低靶面击穿风险。随加速电压的增加，离子引出稳定工作区域范围呈现先增加后减小的趋势。增加D⁺离子比例、减小D⁺离子及Ti²⁺离子入鞘速度，均会显著增加离子引出稳定工作区域范围。

在等离子体粒子模拟中，TA模型和NanBu模型被广泛用于处理库仑碰撞，这两种模型要求每个时间步长内全部粒子参与计算。为了降低参与碰撞的粒子数，提高库仑碰撞的计算效率，提出了一种基于截面的库仑碰撞模拟方法，并给出了库仑碰撞概率的计算公式。采用该方法对不同温度不同密度电子气的弛豫过程进行模拟，分别对比了电子速度分布函数、电子温度以及电子x、y方向上的温度与电子温度之比的模拟值与理论值，验证了该方法的准确性。在相同的小时间步长上，该方法相比TA模型计算效率提升可达40%以上。对于较大的时间步长，该方法仍能得到与理论解近似的模拟结果，相比Nanbu模型，在相同的精度下可取更大的时间步长，计算效率也有所提升。研究表明，该方法同样适用于电子-离子碰撞。因此在提高库仑碰撞计算效率上，该方法具有碰撞粒子数少以及适用于大时间步长的优势。