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。

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。

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。

大型脉冲功率装置真空汇流区的电子输运过程对于电流汇聚有重要的影响，在高性能计算集群的帮助下，使用NEPTUNE3D软件开展三维全电磁PIC模拟进行了研究，模拟区域（34 cm×34 cm×18 cm）包括双层柱-孔盘旋（DPHC）结构和部分内、外磁绝缘传输线等关键位置。计算结果清晰地展示了零磁位区分布和电子输运轨迹，电子主要由外磁绝缘传输线阴极表面发射，在洛伦兹力作用下向中心漂移并损失在零磁位区处；对电子能量沉积的统计结果表明，受电子流轰击最严重的位置在DPHC结构下层阳极柱表面，来自大型脉冲功率装置的实验结果证实了上述结论。根据计算结果，最大电流损失率（437 kA，27%）发生在电流传输的早期时刻（～15 ns），而电流峰值时刻损失率则仅有0.48%，此时磁绝缘已完全生效，表明DPHC结构在峰值电流的汇聚与传输上有很高的效率。