当前，科学计算的验证主要针对基于确定性偏微分方程组的网格离散方法。放电等离子体的粒子云网格PIC方法作为一种粒子-网格耦合的仿真手段，其验证方法具有显著不同的特点：第一，PIC仿真除了在时间和空间上进行离散，还需要对粒子数权重进行离散；第二，离散粒子的相空间分布函数是否适合作为验证研究的观测量；第三，粒子-网格耦合过程中的电场插值和电荷分配会影响PIC仿真的全局收敛精度。另外，当PIC方法与蒙特卡罗（MC）方法耦合时，离散误差和随机误差通常叠加在一起，理查德森外推需要结合系综平均进行。提出了一种分层级验证的方法。首先对单粒子轨道、电磁场求解、二体粒子碰撞进行收敛精度阶测试；然后采用空间电荷限制流、气体的傅里叶流动等具有精确解的经典物理模型分别对集成PIC、MC模块进行离散误差评估；最后采用放电物理过程对程序功能进行基准校验。

以离子推力器栅极组件为研究对象，建立了3维数值模型，应用网格质点法研究了束流离子和电荷交换离子在栅极组件间的运动规律。根据给定的几何和物理参数，模拟得到了栅极组件附近的电势分布、束流离子和电荷交换离子的运动轨迹、速度相空间分布以及加速极电流等。模拟结果表明：加速栅极下游产生的电荷交换离子在电场的作用下会加速撞击加速栅极下游面，是造成加速栅极腐蚀的主要因素；栅极间产生的电荷交换离子会撞击到加速栅极孔壁面，使加速栅极孔逐渐增大。

提出采用大口径、浅褶皱和短周期分段式慢波结构作为高功率毫米波绕射辐射振荡器的高频系统.采用通用理论对器件的色散特性进行了分析,用PIC方法对整体器件进行了模拟.在此基础上,开展了实验研究工作,测试了器件输出微波功率和频率.初步实验结果与理论分析和PIC模拟结果的趋势基本吻合.

通过理论分析与计算,设计加工了一个C波段磁绝缘线振荡器(MILO),并进行了实验研究.在二极管电压为437～464 kV、二极管电流为36～39 kA的条件下,从实验上获得了功率为1.60～1.68 GW、频率为3.60～3.66 GHz、脉宽为33～38 ns的TEM模高功率微波辐射,功率转换效率大于9%.

设计加工了一个L波段磁绝缘线振荡器(MILO),并进行了实验研究.在二极管电压为515～538kV,二极管电流为58～61kA的条件下,获得了频率为1.76～1.78GHz.功率为2.2～2.5GW的TM₀₁模高功率微波辐射,功率转换效率为7.3%～7.9%.实验结果与模拟结果符合得较好.

讨论了高功率毫米波绕射辐射振荡器的高频特性.利用线性理论和PIC模拟相结合的方法对器件的高频特性进行了比较仔细的分析.分析结果表明,合理地选择电子注的参量(电流、电压)及高频结构的尺寸(波纹深度、半径、周期等)可以获得较高的输出功率并且具有较好的频谱纯度.

用二维全电磁数值模拟方法研究了轴向加速管,虽然没有实现理想群聚,但通过加一个中间腔,大大提高了前两阶谐波电流分量,其中一阶谐波电流调制系数达到了140%,二阶谐波电流调制系数达到了68%.通过对提取腔的设计,可以选择地输出不同的频率,其中一次谐波频率为2.2GHz,输出功率1.25GW,效率9.33%;二次谐波频率为4.4GHz,输出功率0.48GW,效率3.6%.

采用PIC模拟方法,研究了具有谐振腔的多波切伦柯夫振荡器在充入不同密度的氦气下工作的物理过程, 分析了等离子体产生物理机制及其对微波输出影响.结果表明,等离子体的产生是由于电子束对氦原子的碰撞电离及其雪崩效应引起的.由于电离产生的正离子有利于束的传输和群聚,当在一定范围内增加氦气密度时,可减小微波起振时间,提高束波能量转换效率,但并不改变微波频率;进一步增大气体密度,微波起振时间增大、效率下降,甚至出现脉冲缩短现象.

采取减小阴极杆半径和长度、阴阳极间隙、叶片的长度和厚度及慢波结构周期的办法构造了一种紧凑型磁绝缘线性振荡器(MILO),并用2.5维全电磁PIC方法对这一器件进行了粒子模拟研究.该装置主频为1.9GHz,饱和后平均输出功率达5.4GW,束波转换效率达12%.紧凑型MILO结构能避免电击穿,电子束发射的对称性较易控制.