中子在探测器中能产生与暗物质粒子(WIMPs)类似的核反冲信号,对于低背景的暗物质直接探测实验,精确测量和排除中子的干扰尤其重要.为测量中国锦屏地下实验室(CJPL)中子本底的通量,研制了高效的、具有很强“中子-伽马”分辨的掺钆液闪快中子探测器.介绍了掺钆液闪中子探测器的研制和性能,包括探测器形状和尺寸的设计,液体闪烁体类型、光电倍增管型号以及液闪容器材料的选择,探测器的伽马能量刻度以及中子与伽马信号的甄别.用Am-Be中子源对探测器进行探测效率刻度,得到阈值为0.2 MeV等效电子能量的中子探测效率为(6.30±0.30)%,满足中国锦屏地下实验室对中子通量测量的要求.

分析了光子晶体谐振腔的模式选择功能，实现光子晶体谐振腔回旋管振荡器高阶电磁模与高次电子回旋模的有效耦合，并成功抑制了模式竞争。通过对光子晶体谐振腔禁带特性的分析，定出了工作模式为TE23模,还建立了光子晶体谐振腔回旋管的等效半径的概念，设计了自洽非线性理论和相关的计算机数值模拟程序。研究发现TE23模能有效地与电子的二次回旋谐波相互作用，其耦合频率为206 GHz，并极大地降低了对工作磁场的要求。在考虑诸多物理因素影响的情况下,对该二次谐波光子带隙谐振腔(PBGC)回旋管振荡器进行了参数优化，得到了电压40 kV、电流4.2 A、磁场3.925 T、输出功率35 kW、互作用效率21%的二次谐波TE23模PBGC回旋管振荡器。

利用Nd:YAG激光汤姆逊散射多道测量系统对等离子体多空间点的电子温度和密度进行了测量。用标准光源和电扫描单色仪构成的标定系统对散射光谱的响应系数进行了标定。给出了等离子体中心附近6空间点的温度和密度的测量结果,时间分辨率为100 ms,空间分辨率约为2.2 cm。对实验结果的不确定度进行了估计,为-12%～12%。实验结果证明:系统可测量等离子体温度的空间范围为-35～-3 cm,实验数据稳定可靠。

基于单粒子理论，描述了相对论电子束在离子通道中的聚焦输运过程，讨论了离子－电子密度比、相对论因子、束加速电压和入射电流等系统参数对电子束的聚焦半径、纵向聚焦位置的影响。研究表明，离子通道对电子束具有强烈的聚焦效应，束流在离子通道内的传输是类周期波动传输，随传输距离增加，聚焦点处的半径逐渐增加，束流的波动幅度逐渐减小。选择适当的系统参数，可调节束聚焦点位置和聚焦点半径的大小，实现电子束的长距传输并且减少电子束的耗散。

离子噪声已成为影响现代微波管性能的一个重要因素,采用一维混合模型研究了速调管的离子噪声,用自编的1维粒子模拟程序对速调管的离子噪声特性进行了分析.采用小信号近似,从理论上推导出了速调管离子噪声与相位畸变关系的表达式,表明微波管相位噪声直接来源于管内离子量的变化.模拟了有离子噪声时速调管的相位特性,对模拟过程做了离子诊断并与实验结果进行比较,证明了模拟过程的正确性.探讨了电子束电流、电压以及聚焦磁场对离子噪声的影响规律,束电流与束电压改变后,离子噪声的周期与大小相应改变，增大束电流,离子噪声幅度会下降,并趋于稳定,而在束电流不变的情况下,离子噪声存在一个最小值.束电流与束电压确定,存在最佳的磁场使离子噪声幅度最小.

在2维小信号模型的基础上,分析了均匀和周期永久聚焦磁场对抑制返波自激振荡的影响.研究结果表明:改变聚焦磁场的幅值或周期来增加起振长度是可能的, 而且不会改变基波的互作用条件.与此同时,对起振长度、初始非同步速度参量随皮尔斯增益参量、空间电荷参量、损耗参量等的变化,以及在超宽带行波管中当存在两个或多个角向非对称空间谐波时,起振长度、初始非同步速度参量随周期永久聚焦磁场的变化进行了研究.优化设计聚焦磁场、电子注和螺旋线慢波系统的参量可以对螺旋线行波管的稳定性分析提供必要的依据.

定义了相对论磁化运动等离子体(MMP)的物理模型.利用微扰理论导出了系统的介电张量,研究发现,MMP具有完全不同于静态磁化等离子体介电张量的形式.对电磁波沿轴向传播的情况进行了数值模拟计算,结果表明,系统的共振频率随等离子体密度的增加而非线性增加,在相同的条件下,右旋波的共振频率高于左旋波的共振频率.对于传播的右旋电磁波,增加纵向磁场,共振频率提高,而对于左旋电磁波,增加纵向磁场,共振频率降低.

研究了离子通道回旋电子束脉塞(ICECM)中的等离子体波非线性效应.利用流体理论与自洽非线性理论方法对ICECM中等离子体波效应的微观机理进行了分析.研究发现,等离子体波加强了电子束的纵向群聚,束-波互作用的能量交换效率及系统增益得到明显提高.数值模拟计算表明,对于中等等离子体密度、1.5kA电流和1MV加速电压的电子束,系统能够获得的脉冲功率和频率分别为200MW和280GHz的毫米波束.