采用与同类商业软件比对的方法，在THz折叠波导行波管算例中对自编NEPTUNE3D程序的有限电导率模块进行有效验证和确认，包括冷腔损耗与计及损耗的热腔增益。比对结果表明：冷腔损耗计算相对误差在3%～4%左右，计及损耗的热腔最佳增益相对误差及最佳工作电压漂移相对误差均在2%左右。通过不同软件、冷腔损耗与热腔增益的比对，验证了有限电导率模块正确性和可靠性。此外，还对加工因素导致结构参数变化对冷腔损耗特性影响，做了规律性讨论。

针对THz频段微电真空器件波导壁面材料电导率及加工粗糙度引发损耗的模拟需求，研制了有限电导率模块，并将其添加进三维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE3D。介绍了有限电导率的时域有限差分显格式及时谐场近似解方法，针对上述方法的优缺点，提出了基于扩散方程隐格式的有限电导率模块算法，该算法具备无条件稳定、普适性好的优点。利用矩波导常见电磁波模传输损耗算例，测试了自编的有限电导率模块，测试结果与理论值及同类商业电磁软件计算结果进行了比对，验证了模块的可靠性。利用添加有限电导率的三维全电磁粒子模拟程序NEPTUNE3D，模拟了材料电导率以及表面粗糙度对0.22 THz折叠波导行波管性能的影响，模拟结果表明,材料电导率及表面粗糙度会显著降低器件输出功率和增益水平。综合色散关系、耦合阻抗、衰减常数等因素，给出了器件结构参数设计建议，并指出：通过增加电子束流、注入信号功率以及慢波结构周期数目等方式可一定程度上提高器件输出功率水平。

介绍了自主编制的3维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE的基本情况。该程序具备对多种典型高功率微波源器件的3维模拟能力，可以在数百乃至上千个CPU上稳定运行。该程序使用时域有限差分(FDTD)方法更新计算电磁场，采用Buneman-Boris算法更新粒子运动状态，运用质点网格法(PIC)处理粒子与电磁场的耦合关系，最后利用Boris方法求解泊松方程对电场散度进行修正，以确保计算精度。该程序初步具备复杂几何结构建模能力，可以对典型高功率微波器件中常见的一些复杂结构，如任意边界形状的轴对称几何体、正交投影面几何体，慢波结构、耦合孔洞、金属线和曲面薄膜等进行几何建模。该程序将理想导体边界、外加波边界、粒子发射与吸收边界及完全匹配层边界等物理边界应用于几何边界上，实现了数值计算的封闭求解。最后以算例的形式，介绍了使用NEPTUNE程序对磁绝缘线振荡器、相对论返波管、虚阴极振荡器及相对论速调管等典型高功率微波源器件进行的模拟计算情况，验证了模拟计算结果的可靠性，同时给出了并行效率的分布情况。

针对金属双边二次电子倍增现象, 分析给出了电子共振方程、共振相位、相位聚焦条件以及碰撞电势; 并根据二次电子发射的材料特性, 研究了金属双边二次电子倍增的敏感区间。利用蒙特卡罗方法抽样选取电子初始发射能量和角度, 数值研究了二次电子倍增的敏感区间, 并与理论结果进行了比对, 给出了二次电子数目随时间的增长关系。利用材料二次发射特性的经验公式, 辅以电子碰撞角和碰撞能量计算以及对二次电子初始能量和发射角度的蒙特卡罗随机抽样算法, 编制了3维全电磁粒子模拟程序NEPTUNE的金属边界二次电子发射功能模块, 模拟金属双平板二次电子倍增过程, 获得了二次电子倍增物理图像、二次电子数目随时间演化规律等结果。模拟结果不仅验证了理论分析, 还表明在合适的条件下, 空间电荷限制作用将导致二次电子倍增的饱和。

介绍了3维全电磁粒子模拟软件NEPTUNE中常用外加磁场加载模块的设计思路和方法,包括简单的磁场分布方程和离散数值加载、螺线管磁场加载、直线及螺旋线磁场分布加载、摇摆器磁场加载以及永磁体磁场加载等方式。每一类磁场加载模式都进行了实际算例的计算和验证,计算结果表明各类磁场加载模块设计的正确性和可靠性。最后针对具体应用,结合二极管电子束在不同外加引导磁场作用下的各种分布状态,间接验证了磁场模块设计的可行性。

为理解磁绝缘线振荡器(MILO)实验中频频出现的模式竞争问题,利用3维全电磁粒子模拟程序对C波段MILO的实验模型进行研究,探索各种非对称激励机制对产生微波模式的影响,结果显示:阴极电子随机发射、电压的慢上升前沿、较低的电压等因素都可导致非对称高阶模式的产生,并使输出微波功率大大降低。模拟计算得出MILO中存在频率为3.6 GHz左右的基模和频率分别为3.7,4.1,4.6 GHz左右的3种高阶模式,与Karat计算结果基本一致。

介绍了3维全电磁粒子模拟软件中外加波边界与粒子边界模块的设计思路和方法,其中外加波边界包括同轴波导、矩形波导、圆柱波导的电磁波输入和输出,以实际算例的形式计算了同轴波导TEM模、矩形波导TE10模、圆柱波导TM01模的传输特性;粒子边界包括粒子的发射与吸收。以实际算例的形式计算了一个用于MILO的同轴二极管爆炸发射模型,对其不同电压下的发射特性以及外加波注入功率进行了研究。研究发现:在外加波电压从低到高的情况下,电子先后表现为出了径向运动,轴向漂移和顺势流3个阶段的发射特性,符合物理规律。所得外加波传输的模式分布和粒子发射特性的计算结果分别验证了外加波和粒子发射模块设计的正确性和可靠性。