针对双级加速离子光学系统的设计，开展了栅极几何参数对离子光学系统性能影响的研究。采用质点网格法和蒙特卡罗碰撞法开展栅极关键几何参数对束流引出能力、束流发散角、交换电荷(CEX)离子的截获影响规律研究；另外，还开展了不同比冲下束流发散角、碰撞交换电荷离子的变化趋势研究。研究结果表明，屏栅孔径对束流引出能力、束流发散角、CEX离子截获电流以及鞍点电势都有影响，随着屏栅孔径的增加，束流引出能力、束流发散角和鞍点电势呈上升趋势。加速栅孔径的变化对CEX离子得能量分布有影响，随着加速栅孔径的增大，截获的高能CEX离子逐渐减少，而随着加速栅厚度的增加，束流发散角、CEX离子的截获数量和能量呈上升趋势。在8000 s比冲下，加速级间距的改变对束流引出能力影响较小。另外，比冲对离子光学系统性能也有影响，比冲越高，束流发散角越小，且加速栅截获的CEX离子也越少。

基于第一性原理的粒子模拟方法，对高功率微波器件中介质窗表面电子实际形成和发展的变化情况进行了研究。使用VORPAL粒子模拟软件，建立一个简单的TEM波垂直入射介质窗表面的二维模型，采用Vaughan二次电子发射模型，利用蒙特卡罗碰撞方法处理电子与背景气体之间的弹性碰撞、激发碰撞和电离碰撞，获得了介质窗表面电子倍增的图像。模拟结果表明，介质窗表面电子数量在一定的时间内达到饱和状态，其振荡频率是入射射频电场频率的两倍。改变初始发射种子电子的数量、入射射频电场的幅值以及背景气体的压强等关键性参数，可得到不同条件下介质窗表面电子数量的变化规律。

为研究高功率微波及材料特性参数对介质沿面闪络击穿过程的影响, 采用自编的1D3V PIC-MCC程序, 通过粒子模拟手段, 得到了电子与离子数目、电子及离子密度分布、空间电荷场时空分布、电子平均能量、放电功率、表面沉积功率、激发电离损耗功率、电离频率等重要物理量。结果表明: 电离频率随场强增加而增加, 达到饱和后缓慢下降, 强场诱发的二次电子数目更多导致本底沉积功率增高; 电离频率随频率减小而增加, 达到饱和后缓慢下降, 频率太高会抑制次级电子倍增; 因此, 低频强场下击穿压力较大; 反射引发表面电场下降及磁场增加效应, 降低表面场强虽使表面击穿压力下降, 但磁场的增加会导致二次电子倍增起振时间缩短, 且会增加器件内部击穿风险; 圆极化相对线极化诱导二次电子数目更多、本底沉积功率更高, 击穿风险增加; 短脉冲产生电子、离子总数少, 平均能量低, 沉积功率低, 击穿风险低于长脉冲; 脉冲上升时间的缩短和延长, 只会提前或推后击穿时间, 并不会改善击穿压力; 材料二次电子发射率的增加会给击穿造成巨大压力, 表面光滑度对击穿过程影响不大; 电离频率和电子平均能量随释气压强增加均先增加后减小, 低气压二次电子倍增占优, 高气压碰撞电离占优。

针对高功率微波介质沿面闪络击穿物理过程, 首先建立了理论模型, 包括: 动力学方程、粒子模拟算法、二次电子发射, 以及电子与气体分子蒙特卡罗碰撞模型、电子碰撞介质表面退吸附气体分子机制; 其次, 基于理论模型, 编制了1D3V PIC-MCC程序, 分别针对真空二次电子倍增、高气压体电离击穿和低气压面电离击穿过程, 运用该程序仔细研究了电子和离子随时间演化关系、电子运动轨迹、电子及离子密度分布、空间电荷场时空分布、电子平均能量、碰撞电子平均能量、碰撞电子数目随时间演化关系、电子能量分布函数、平均二次电子发射率以及能量转换关系。研究结果表明: 真空二次电子倍增引发的介质表面沉积功率只能达到入射微波功率1%左右的水平, 不足以击穿; 气体碰撞电离主导的高气压体电离击穿, 是由低能电子(eV量级)数目指数增长到一定程度导致的, 形成位置远离介质表面, 形成时间为μs量级; 低气压下的介质沿面闪络击穿, 是在二次电子倍增和气体碰撞电离共同作用下, 由于数目持续增长的高能电子(keV量级)碰撞介质沿面导致沉积功率激增而引发的, 形成位置贴近介质沿面, 形成时间在ns量级。

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。

介绍了用于模拟介质表面高功率微波击穿的粒子模拟-蒙特卡罗碰撞方法, 并采用该方法模拟研究了氩气环境不同气压下的介质表面高功率微波击穿过程, 获得了该击穿过程中粒子数量和电子平均能量的时间变化图像, 并得到了击穿延迟时间。数值模拟结果发现: 在低气压下, 次级电子倍增的作用比较明显, 但电子数量在次级电子倍增饱和后的增速较低, 击穿延迟时间较长; 随着气压的升高, 次级电子倍增的影响逐渐变小, 气体电离逐渐占主导地位, 击穿延迟时间逐渐变短; 在高气压下, 由于介质表面吸收沉积电子而呈负电性, 次级电子倍增消失, 击穿延迟时间由气体碰撞电离来决定。

采用粒子网格-蒙特卡罗碰撞(PIC-MCC)方法对等离子体平板背光源单元的放电过程进行了数值模拟,获得了放电过程中各带电粒子在空间区域的分布以及各区域的形成和性质,并结合模拟结果,详细分析了等离子体平板背光源单元的放电特性。结果表明,放电单元采用大电极间距可获得正柱区放电,正柱区的形成是正离子在阴极鞘层区不断积累将电位抬高所致。通过增加电极间距以增加正柱区的长度,可以有效地改善放电特性,从而提高背光源的发光效率。

采用粒子网格单元和蒙特卡罗碰撞方法,建立了离子推力器羽流场的2维轴对称模型,对其特性进行了数值模拟,并将模拟结果与实验测量数据进行了对比分析。研究结果表明:数值模拟结果与实验测量值基本一致,模型可以很好地评估离子推力器的羽流特性;返流区离子数密度达到1014 m-3量级,会对航天器表面产生污染;背压对束流区域外电荷交换离子影响较为显著,不可忽略。

从碰撞次数的概率分布出发,推导出一种补偿蒙特卡罗碰撞模型,采用以正态分布计算得到的平均碰撞次数作为碰撞概率,来补偿传统方法中忽略的多次碰撞。通过模拟不同折合电场强度条件下He气放电产生电子的运动规律,验证了补偿蒙特卡罗碰撞模型的正确性。计算结果表明:补偿蒙特卡罗碰撞模型可以有效地提高计算效率,特别适用于高气压气体放电现象的粒子模拟。