介绍了一种粒子沿折线 (zigzag-line)运动的守恒型 PIC算法在自编三维全电磁粒子模拟大规模并行程序 NEPTUNE3D中的实现与应用情况。相对于经典 PIC算法，该算法不需要修正电场，可以避免大型矩阵求逆问题，使得程序鲁棒性更高; 相对其他守恒型算法，该算法不需判断语句，代码执行效率更高，更适合大规模并行计算环境。通过与经典 PIC算法对比，给出采用 zigzag-line守恒型 PIC算法的 NEPTUNE3D程序对磁绝缘线振荡器天线一体化模型与太赫兹折叠波导行波管 2个实际算例的验证测试结果、应用效果，结果表明: zigzag-line守恒型 PIC算法模拟结果正确可靠，相对经典 PIC算法，大大缩短了计算时间，显著提升了器件模拟设计效率。

给出了满足电荷守恒的共形发射技术。首先阴极表面由三角网格共形描述,发射带电粒子时,根据电荷和电流线性分配方式和离散高斯定律,带电粒子的初始位置设置在与三角面元处于同一个网格元胞内,离三角面元最近且处于金属内部的网格点上。带电粒子的初始运动由两部分组成：一是由三角面上的法向场推进所产生的运动；二是使发射粒子在阴极面上分布呈随机性而设定的随机运动。运动产生的电流按照电荷守恒定律分配到离散网格中,并且由于粒子的初始位置设置在整网格点上,带电粒子的共形发射不会产生非物理的静电累加。最后通过同轴二极管模型来验证共形发射模型的正确性。

基于OpenMP标准分别设计了粒子模拟方法中电磁场计算、粒子运动求解、电荷密度和电流密度更新的并行计算实现算法。在多核计算机上对所设计并行算法进行了性能测试和分析, 根据分析结果在3维并行粒子模拟软件CHIPIC3D上实现了基于OpenMP的并行计算功能, 并应用其对一种扩展互作用振荡器进行了基于OpenMP的并行模拟和基于OpenMP/MPI混合模式的并行模拟。模拟结果表明并行算法正确并能取得较高的加速比。