阴极释气电离产生的击穿现象是限制磁绝缘线振荡器(MILO)工作性能的一个可能因素，也是限制其重频运行的主要障碍。利用三维全电磁粒子模拟程序对高功率微波器件MILO中阴极释气电离现象的物理建模技术以及实现三维自洽运算所需的粒子模拟技术进行了分析研究。对不同相对释气率的情况进行了模拟计算，模拟计算结果表明，当释气率超过一定阈值时，电离导致的等离子体会使微波输出功率迅速下降。

应用多光子非线性Compton散射模型和二维particle-in-cell(PIC)粒子模拟程序，研究了Compton散射下等离子体初始温度对质子产生的影响，并进行了数值模拟。结果表明：与Compton散射前相比，随着等离子体初始温度的增加，产生的质子数有更显著的增加，靶前和靶后质子能谱曲线趋于平滑，加速质子数量的差别减小。当入射激光强度增强时，随着等离子体初始温度的增加，质子增加的相对幅度有明显减小。当入射激光强度减弱时，随着等离子体初始温度的增加，质子能谱曲线仍有清晰的区别，质子数量和速度都有明显的增加。

针对气体碰撞电离过程，介绍了蒙特卡罗碰撞（MMC）的处理方法，利用MMC方法编写了气体碰撞电离模块，将其移植到3维全电磁粒子模拟程序NEPTUNE之中，模拟了充有He气的磁绝缘线振荡器（MILO）。模拟结果表明：当He气密度较低时，电离的正离子由于较重无法自由移动，形成了正离子通道，可以有效中和电子束空间电荷场，有利于电子束传输和群聚，提高了束波互作用效率，微波输出功率得到了明显提高，起振时间也有所缩短；当进一步增加He气密度时，电离碰撞增强，电子和离子数目会雪崩式增长，电子束由于碰撞增强而导致能散度增大，其负效应已经远大于中和空间电荷场的正效应，反而不利于电子束的群聚和共振，从而导致输出微波功率降低乃至截断，起振时间缩短是由于其在非雪崩阶段的正效应积累所致，但是随着负效应的增强起振功率不能得以维持，二极管最终将闭合。另外，还模拟了MILO填充空气、水蒸气及二氧化碳等多原子、多组分气体的碰撞电离物理过程。模拟结果显示，同压强情况下，填充空气、水蒸气及二氧化碳的脉冲缩短现象要比填充He气等较低原子序数气体的情况严重得多。

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。

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。