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。

在磁绝缘线振荡器（MILO）阴极释气电离物理建模技术以及三维自洽运算基础上，研究了残存气体脉冲缩短，并分析了释气电离对多脉冲MILO运行的影响。把多脉冲释气分为脉冲内阴极释气脉间残余气体累积两个部分，研究了不同释气率以及残余气体对整个器件的运行产生影响。计算结果表明，多脉冲运行MILO最主要影响因素是释气后电离产生的正离子，当正离子密度超过发射电子密度时，束波互作用被破坏。

相对论电子轰击阳极产生二次电子和释气以及释气电离产生的击穿现象是限制全腔轴向提取透明阴极磁控管（TCMAC）工作性能的一个重要因素。本研究对TCMAC中轰击产生的阳极二次电子以及释气电离现象进行了物理建模以及三维数值模拟研究，考察了其对TCMAC运行性能的影响。初步计算结果表明，二次电子发射与阳极释气对TCMAC工作都有一定影响，释气后电离产生的正离子数大于系统中电子数时，会导致TCMAC击穿。

对全腔输出半透明阴极相对论磁控管做了进一步的改进，并对其进行了物理分析和三维全电磁粒子模拟研究。通过半透明阴极结构的改进，即改变阴极角向方位和阴极发射面高度参差设计以及局部参数优化，使得在较宽的工作参数范围内，器件起振初期可能出现的模式竞争得到抑制，起振时间进一步缩短，同时输出效率得到较大提高。在注入电子束电压和电流分别约为518 kV和4.1 kA、外加磁场为0.575 T时，模拟在S波段获得了效率大于66%、功率约1.42 GW的微波输出。同时还给出了电子束电压和外加磁场等参数在一定范围内变化时对输出性能的影响规律。研究结果可应用于高效紧凑型相对论磁控管的实验研究。