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。

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。

采用紧聚焦的超强短脉冲激光与固体通道靶相互作用是获得大电量、高准直相对论电子束的一种有效方式。实验中由于激光预脉冲烧蚀靶壁产生预等离子体会膨胀、填充到真空通道中，从而导致电子束品质发生变化。采用二维PIC粒子模拟程序研究了通道靶中填充预等离子体的电子加速过程。模拟结果显示，在功率密度为5.0 $ \times {10}^{20}\;{\mathrm{W}/\mathrm{c}\mathrm{m}}^{2} $的超强短脉冲激光条件下，通道中填充一定密度的等离子体时激光场优先与低密度等离子体相互作用，激光脉冲与通道壁的相互作用减弱，电子加速机制由纵向场主导的真空电子加速转变为横向电场主导的等离子体电子加速，产生电子束具有更大的电荷量，但能量降低，发散角增大。

利用二维粒子模拟程序EPOCH验证了超快电子束探针诊断受激拉曼散射产生的静电波的可行性。结果表明，电子束探针穿过静电波电场后会在电子束探针的横向上产生密度调制，密度调制呈周期性分布且沿静电波的传播方向移动，密度调制的波数对应静电波的波数且移动速度对应静电波的相速度，因此特定条件下可用于反推电子的温度、密度等信息。在诊断静电波的过程中，电子束探针的束长必须小于静电波的波长或者诊断设备的曝光时间必须小于静电波的周期。本研究提供了一种新型的直接诊断静电波和电子温度、密度的方法，对于推动受激拉曼散射等激光等离子体不稳定性的实验研究具有重要意义。