当前，科学计算的验证主要针对基于确定性偏微分方程组的网格离散方法。放电等离子体的粒子云网格PIC方法作为一种粒子-网格耦合的仿真手段，其验证方法具有显著不同的特点：第一，PIC仿真除了在时间和空间上进行离散，还需要对粒子数权重进行离散；第二，离散粒子的相空间分布函数是否适合作为验证研究的观测量；第三，粒子-网格耦合过程中的电场插值和电荷分配会影响PIC仿真的全局收敛精度。另外，当PIC方法与蒙特卡罗（MC）方法耦合时，离散误差和随机误差通常叠加在一起，理查德森外推需要结合系综平均进行。提出了一种分层级验证的方法。首先对单粒子轨道、电磁场求解、二体粒子碰撞进行收敛精度阶测试；然后采用空间电荷限制流、气体的傅里叶流动等具有精确解的经典物理模型分别对集成PIC、MC模块进行离散误差评估；最后采用放电物理过程对程序功能进行基准校验。

为了更好地实现对大尺度器件的模拟, 以及更系统地验证和解决高功率微波系统在设计和实验中负载变化等影响, 在进一步深入研究电磁PIC并行算法的基础上, 运用MPI消息传递函数做出了改进。提出了一种整体建模、分段解析的并行算法, 并从并行时序算法入手, 通过减少一次同步提高了计算的效率。最后经过一个磁绝缘线振荡器进行验证, 改进的算法正确, 并且当计算进程数4个增加到16个时, 计算速度能提高2.5倍左右。

结合负载限制型磁绝缘线振荡器(MILO)和渐变型MILO的特点提出并设计了P波段混合型MILO的结构,主要以负载限制型MILO结构作为雏形,将其内部仅含有的1根提取叶片用3根长度渐变的慢波叶片组成的渐变段替换.该结构可更好地实现束波相互作用,并使提取间隙电场与MILO输出同轴结构处的电场达到更好的匹配,增加微波输出功率.器件纵向总长度为47 cm,外筒直径为44 cm.优化后的2.5维全电磁粒子模拟结果表明:在二极管工作电压550 keV、电流约57 kA的情况下,输出微波的中心频率为640 MHz,平均功率为4.27 GW,束波转换效率为13.6%,器件4 ns时起振,6 ns达到饱和,且微波输出功率十分稳定,最终输出微波模式为TEM模.

利用2维半全电磁PIC程序进行数值模拟,设计了一种C波段磁绝缘线振荡器.该振荡器在阴极电子发射起点加圆环,控制此处电子束的发射密度,来减少电子能量的损耗,改善束-波互作用;逐渐加大慢波结构的后两个叶片的内半径,增大微波群速度,便于谐振腔中的能量输出,提高微波输出效率;采用两个扼流片有效地阻止了微波功率向二极管区泄漏,相应减小了器件的尺寸.当外加电压为430 kV、束流46 kA时,饱和后输出微波平均功率2 GW,频率3.51 GHz,功率转换效率10%.

设计了一个具有新型收集极的X 波段磁绝缘线振荡器,并利用KARAT程序对其进行了深入的数值模拟研究.对设计思想进行了介绍,并对典型模拟结果进行了图示和分析.当工作电压为520 kV, 电流为64 kA时, 模拟中获得了2.18 GW的微波输出功率,频率为9.3 GHz,功率转换效率为6.5%, 辐射微波的主模式为TEM模.

用KARAT-3D全电磁PIC程序,对多注速调管设计模型波束相互作用的物理过程进行3维数值模拟,给出了输出功率、电流等基本的物理参数.在输入电压14 kV,电流20.8 A时候,得到了128 kW的峰值输出功率,峰值效率是43.8%.考察了电子在高频场的运动和电流调制,分析了电流在各互作用腔中的调制,并对多注速调管不同发射度时电子传输进行了研究.结果表明:电子均匀发射时高频场的调制对电流传输效率影响不大,电流和电场调制随着腔的增加而增加.电子能量在输出腔的位置减小很多,电子有一部分能量转化为微波.

通过理论分析与计算,设计加工了一个C波段磁绝缘线振荡器(MILO),并进行了实验研究.在二极管电压为437～464 kV、二极管电流为36～39 kA的条件下,从实验上获得了功率为1.60～1.68 GW、频率为3.60～3.66 GHz、脉宽为33～38 ns的TEM模高功率微波辐射,功率转换效率大于9%.

设计加工了一个L波段磁绝缘线振荡器(MILO),并进行了实验研究.在二极管电压为515～538kV,二极管电流为58～61kA的条件下,获得了频率为1.76～1.78GHz.功率为2.2～2.5GW的TM₀₁模高功率微波辐射,功率转换效率为7.3%～7.9%.实验结果与模拟结果符合得较好.

用二维全电磁数值模拟方法研究了轴向加速管,虽然没有实现理想群聚,但通过加一个中间腔,大大提高了前两阶谐波电流分量,其中一阶谐波电流调制系数达到了140%,二阶谐波电流调制系数达到了68%.通过对提取腔的设计,可以选择地输出不同的频率,其中一次谐波频率为2.2GHz,输出功率1.25GW,效率9.33%;二次谐波频率为4.4GHz,输出功率0.48GW,效率3.6%.

采用PIC模拟方法,研究了具有谐振腔的多波切伦柯夫振荡器在充入不同密度的氦气下工作的物理过程, 分析了等离子体产生物理机制及其对微波输出影响.结果表明,等离子体的产生是由于电子束对氦原子的碰撞电离及其雪崩效应引起的.由于电离产生的正离子有利于束的传输和群聚,当在一定范围内增加氦气密度时,可减小微波起振时间,提高束波能量转换效率,但并不改变微波频率;进一步增大气体密度,微波起振时间增大、效率下降,甚至出现脉冲缩短现象.