基于面向对象的C++语言研制三维柱坐标共形网格生成程序，对束-场互作用器件作共形网格剖分，为粒子模拟算法提供积分线元、面元。通过定义三维柱坐标网格体系如网格步长、网格索引、守护网格层、包围盒等数据，使模型的空间信息能转换成柱坐标网格信息。将轴上网格单元作特殊处理，使粒子模拟算法形式在轴上网格和在非轴上网格上保持一致。利用射线跟踪法得到属于模型子面、模型棱边的离散边界点，接着通过拓扑关系获得模型的顶点，保存上述三类离散边界点的拓扑信息和网格信息。将构建的基础网格元与边界点信息耦合，在离散网格体系中重构模型。用该共形网格剖分技术对相对论磁控管进行剖分，能够识别该磁控管的透明阴极、阳极和谐振腔等结构。

Competition among the two-plasmon decay (TPD) of backscattered light of stimulated Raman scattering (SRS), filamentation of the electron-plasma wave (EPW) and forward side SRS is investigated by two-dimensional particle-in-cell simulations. Our previous work [K. Q. Pan et al., Nucl. Fusion 58, 096035 (2018)] showed that in a plasma with the density near 1/10 of the critical density, the backscattered light would excite the TPD, which results in suppression of the backward SRS. However, this work further shows that when the laser intensity is so high ( $>{10}^{16}$ W/cm²) that the backward SRS cannot be totally suppressed, filamentation of the EPW and forward side SRS will be excited. Then the TPD of the backscattered light only occurs in the early stage and is suppressed in the latter stage. Electron distribution functions further show that trapped-particle-modulation instability should be responsible for filamentation of the EPW. This research can promote the understanding of hot-electron generation and SRS saturation in inertial confinement fusion experiments.

微放电是制约航天器微波部件功率容量的主要瓶颈之一。以介质微波部件中典型的介质加载平行板波导为例，基于三维粒子模拟分别对仅考虑外加微波场（情况1）、考虑外加微波场和空间电荷（情况2）以及考虑外加微波场、空间电荷和介质表面电荷（情况3）三种情况下微放电演化过程中电子数目、瞬态二次电子发射系数、归一化反射波电压以及介质表面与上金属板之间的间隙电压随时间的变化进行了仿真，并给出了情况3电子分布和介质表面电荷密度随时间的变化过程。在此基础上，明确了空间电荷和介质表面电荷在微放电过程中所起的不同作用：即空间电荷会使微放电达到饱和状态，介质表面电荷则导致微放电饱和状态无法持续，最后自行熄灭。介质表面电荷导致了微放电过程中介质和金属瞬态二次电子发射系数下降速率不一致，归一化反射波电压幅度随时间变化的包络类似于“眼睛”形状、间隙电压类直流偏置、非对称电子能量分布等特殊现象。

针对空泡机制中的双束等离子体尾波电子加速设计，给出了能够快速得到被加速束流在最大加速距离下的相对能散的预测公式。通过加速初始时刻束流纵向分布以及束流所处位置的纵向尾波场可得到束流最终相对能散。该预测公式不仅可应用于驱动束流与被加速束流初始能量相同的情况，还可应用于两个束流初始能量不相同的情况。由该预测公式得到的束流相对能散与被加速束流和驱动束流的初始能量的比值有关，而与两个束流初始能量的数值无关。利用准静态近似的粒子网格模拟程序QuickPIC对理论进行了模拟验证，模拟结果与理论预期结果一致。

离子通道可以有效抑制电子束在等离子体环境内传输过程中的径向扩散，已有工作研究了离子通道对电子束的影响，但离子通道建立过程和暂态特性研究则更有助于理解和利用离子通道在电子束长程传输中的作用。本文利用PIC方法对离子通道的时空分布进行二维模拟，并基于单粒子理论推导出描述离子通道振荡的解析模型，对上述两种模型的结果相互校验。上述模型的计算结果表明，在长程传输过程中，相对论电子束在等离子体内部建立的离子通道是持续周期振荡的，电子束密度、电子束初始半径以及环境等离子体密度都会对离子通道的振荡规律产生影响，针对不同的等离子体环境选择合适的电子束参数可以有效提高离子通道的稳定性，进而提升传输过程中电子束的束流质量。

为了实现回旋速调管放大器的快速设计，基于经典的回旋管的稳态单模非线性理论方法，开展了回旋速调管放大器的束波作用效率的理论模拟研究。由于单模理论无法匹配回旋速调管放大器的输入腔、中间腔两端的突变边界条件，所以输入腔与中间腔都只能采用给定场法进行求解。回旋速调管的输出腔的功率输出端通常采用缓变结构，这种腔体可以采用单模自洽理论进行求解。对两腔毫米波回旋速调管放大器进行了理论模拟，并与商业粒子模拟软件的结果进行对比，验证了该数值理论模拟方法的有效性。

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。