基于面向对象的C++语言研制三维柱坐标共形网格生成程序，对束-场互作用器件作共形网格剖分，为粒子模拟算法提供积分线元、面元。通过定义三维柱坐标网格体系如网格步长、网格索引、守护网格层、包围盒等数据，使模型的空间信息能转换成柱坐标网格信息。将轴上网格单元作特殊处理，使粒子模拟算法形式在轴上网格和在非轴上网格上保持一致。利用射线跟踪法得到属于模型子面、模型棱边的离散边界点，接着通过拓扑关系获得模型的顶点，保存上述三类离散边界点的拓扑信息和网格信息。将构建的基础网格元与边界点信息耦合，在离散网格体系中重构模型。用该共形网格剖分技术对相对论磁控管进行剖分，能够识别该磁控管的透明阴极、阳极和谐振腔等结构。

Competition among the two-plasmon decay (TPD) of backscattered light of stimulated Raman scattering (SRS), filamentation of the electron-plasma wave (EPW) and forward side SRS is investigated by two-dimensional particle-in-cell simulations. Our previous work [K. Q. Pan et al., Nucl. Fusion 58, 096035 (2018)] showed that in a plasma with the density near 1/10 of the critical density, the backscattered light would excite the TPD, which results in suppression of the backward SRS. However, this work further shows that when the laser intensity is so high ( $>{10}^{16}$ W/cm²) that the backward SRS cannot be totally suppressed, filamentation of the EPW and forward side SRS will be excited. Then the TPD of the backscattered light only occurs in the early stage and is suppressed in the latter stage. Electron distribution functions further show that trapped-particle-modulation instability should be responsible for filamentation of the EPW. This research can promote the understanding of hot-electron generation and SRS saturation in inertial confinement fusion experiments.

飞秒磁场脉冲对研究超快磁化、超快退磁、超快磁存储和自旋超快动力学等过程具有重要意义。传统的脉冲磁场受限于脉冲电源性能无法获得毫秒量级以下的超短脉冲磁场，无法研究飞秒尺度的磁动力学过程。利用超短脉冲激光驱动等离子体产生旋转电流是目前产生飞秒磁场脉冲的有效方法。本文利用质点网格法模拟圆偏振拉盖尔高斯光束驱动等离子体中的电子运动从而产生光电流以及飞秒磁脉冲的过程，模拟产生了特斯拉量级的飞秒超短磁脉冲，并系统讨论了驱动激光强度与等离子体密度对磁脉冲的影响。结果表明，脉冲磁场的脉宽与驱动光一致，其强度随着激光场强度、等离子体密度增加而增加。通过本文研究寻找产生飞秒磁脉冲的优化实验参数，有望将超快磁动力学研究推进到飞秒时间尺度。

In the scheme of fast ignition of inertial confinement fusion, the fuel temperature mainly relies on fast electrons, which act as an energy carrier, transferring the laser energy to the fuel. Both conversion efficiency from the laser to the fast electron and the energy spectrum of the fast electron are essentially important to achieve highly effective heating. In this study, a two-dimensional particle in cell simulation is applied to study the generation of fast electrons from solid-density plasmas with different laser waveforms. The results have shown that the slope of the rising edge has a significant effect on fast electron generation and energy absorption. For the negative skew pulse with a relatively slow rising edge, the J×B mechanism can most effectively accelerate the electrons. The overall absorption efficiency of the laser energy is optimized, and the fast electron yield in the middle- and low-energy range is also improved.

微放电是制约航天器微波部件功率容量的主要瓶颈之一。以介质微波部件中典型的介质加载平行板波导为例，基于三维粒子模拟分别对仅考虑外加微波场（情况1）、考虑外加微波场和空间电荷（情况2）以及考虑外加微波场、空间电荷和介质表面电荷（情况3）三种情况下微放电演化过程中电子数目、瞬态二次电子发射系数、归一化反射波电压以及介质表面与上金属板之间的间隙电压随时间的变化进行了仿真，并给出了情况3电子分布和介质表面电荷密度随时间的变化过程。在此基础上，明确了空间电荷和介质表面电荷在微放电过程中所起的不同作用：即空间电荷会使微放电达到饱和状态，介质表面电荷则导致微放电饱和状态无法持续，最后自行熄灭。介质表面电荷导致了微放电过程中介质和金属瞬态二次电子发射系数下降速率不一致，归一化反射波电压幅度随时间变化的包络类似于“眼睛”形状、间隙电压类直流偏置、非对称电子能量分布等特殊现象。

通过理论研究和粒子仿真（Particle in Cell，PIC），设计了一支工作在基波TE01模式下，采用周期性介质加载（PDL）波导的220 GHz回旋行波管（gyrotron traveling wave tube，Gyro-TWT）。通过研究寄生振荡的起振阈值和加载介质环，成功抑制了寄生振荡（绝对不稳定性振荡和返波振荡）。分别采用了非线性理论程序与粒子仿真对注波互作用进行研究，对比了两种结果基本一致。PIC仿真结果显示，优化后的回旋行波管，工作在220 GHz时，在输入70 kV和3 A电子注的情况下，饱和输出功率为55.61 kW，对应的效率为26.48%，饱和增益为53.56 dB，-3 dB带宽为12 GHz。

针对空泡机制中的双束等离子体尾波电子加速设计，给出了能够快速得到被加速束流在最大加速距离下的相对能散的预测公式。通过加速初始时刻束流纵向分布以及束流所处位置的纵向尾波场可得到束流最终相对能散。该预测公式不仅可应用于驱动束流与被加速束流初始能量相同的情况，还可应用于两个束流初始能量不相同的情况。由该预测公式得到的束流相对能散与被加速束流和驱动束流的初始能量的比值有关，而与两个束流初始能量的数值无关。利用准静态近似的粒子网格模拟程序QuickPIC对理论进行了模拟验证，模拟结果与理论预期结果一致。

X射线辐照飞行器等腔体在其内部产生的腔体内电磁脉冲，会干扰其内部电子系统的正常工作，进而影响飞行器的运行和生存。介绍一种三维并行全电磁粒子方法，用于模拟X射线辐照腔体在其内部产生的瞬态电磁脉冲响应。在这一数值方法中，时域有限差分方法和Particle-in-Cell方法用来求解瞬态电磁场的产生和带电粒子运动之间的耦合关系，有效电流分配方法用来计算瞬态电磁场产生的源项。该方法基于JASMIN并行框架实现，可模拟含数亿网格和数亿粒子的三维腔体结构的内电磁脉冲响应，且具备大规模并行的优势。用这一方法来模拟圆柱腔体在X射线辐照下的腔体内电磁脉冲响应，其计算结果与文献结果吻合较好，验证了算法的有效性和正确性。

离子通道可以有效抑制电子束在等离子体环境内传输过程中的径向扩散，已有工作研究了离子通道对电子束的影响，但离子通道建立过程和暂态特性研究则更有助于理解和利用离子通道在电子束长程传输中的作用。本文利用PIC方法对离子通道的时空分布进行二维模拟，并基于单粒子理论推导出描述离子通道振荡的解析模型，对上述两种模型的结果相互校验。上述模型的计算结果表明，在长程传输过程中，相对论电子束在等离子体内部建立的离子通道是持续周期振荡的，电子束密度、电子束初始半径以及环境等离子体密度都会对离子通道的振荡规律产生影响，针对不同的等离子体环境选择合适的电子束参数可以有效提高离子通道的稳定性，进而提升传输过程中电子束的束流质量。