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。

相对论电子束在理想顺磁环境下能够以较高的注量率击中靶目标，但实际情况中由于受环境的影响，相对论电子束的传输方向可能会与地磁场呈小角度偏差，因此会受到地磁场的作用产生拉莫尔进动，影响电子束的到靶瞄准以及到靶注量。基于二维片状相对论电子束，分别对相对论电子束顺磁和偏离磁场3°角两种传输情况进行仿真模拟，通过模拟束团的传输过程，分析研究了顺磁环境下不同传输距离束团到靶率的变化规律，以及偏离磁场3°角时传输过程中注量率的变化规律，为相对论电子束到靶率的预估和靶目标的瞄准提供数据参考。

开展了E型波导振荡器永磁引导系统的物理与设计研究。对强流相对论电子束在理想方波形反转引导磁场中的传输条件进行了理论分析，给出了相对论条件下轴对称复合场中电子束的傍轴轨迹方程和最小引导磁场的计算公式。根据该理论分析，针对C波段E型波导振荡器高频互作用区的结构特点，设计了反转永磁引导系统，同时给出了漂移管内各个磁场分量的表达式。该系统由轴径向磁化空心永磁体组合产生反转引导磁场，永磁体的总质量约为2.5 kg。采用爆炸发射阴极，展示了强流相对论电子束在该引导磁场中的传输特性。研究结果显示，所设计反转永磁引导系统可引导400 kV、580 A的环形电子束稳定通过半径为6 mm的漂移管，带入器件，得到112.5 MW的4.8 GHz微波输出功率，效率为48.49%，确定了反转永磁引导系统应用于E型波导振荡器的技术可能性。

为实现模块化相对论速调管放大器功率、频率和相位的在线测量，对紧凑型高定向性高带宽的定向耦合器进行了仿真和实验研究。利用小孔耦合理论和相位叠加原理进行理论分析，设计了一种双孔紧凑型定向耦合器，在此基础上采用主、副波导正交连接，耦合孔沿轴向和角向二维分布的方法，进一步缩短了耦合器的长度。通过电磁仿真对耦合器各参数进行优化，模拟结果表明：当中心频率为10 GHz时，普通双孔定向耦合器对TM₀₁模式的耦合度为−60.68 dB，在250 MHz的带宽内定向性大于20 dB，此时耦合区长度为3.49 cm。改进型定向耦合器对TM₀₁模式的耦合度为−58.1 dB，在300 MHz的带宽内定向性大于20 dB，此时耦合区长度仅为1.8 cm（约0.6λ）。耦合器的冷腔实验测量结果与仿真结果符合较好。

强作用物质相结构的研究是核物理里一个非常活跃的前沿领域，对于理解相对论重离子碰撞实验和中子星观测有重要意义。传统的相结构研究集中于高温度和高密度所带来的物性变化，特别是相关的相变过程，比如手征恢复相变、色超导相变等。近年的实验和理论研究表明，非对心重离子碰撞系统携带很大的初始角动量从而产生极强的流体涡旋场。这带来了涡旋场中的强作用物质性质的一系列重要问题，对它们的探索产生了许多新颖结果。特别是在强作用物质相变方面，基于转动参考系的热场计算得到了发展，并结合平均场近似对相关的手征相变、色超导相变、高同位旋下的超流相变等现象作了深入研究，发现了涡旋场对相边界的影响以及其所带来的丰富相结构。