射频波系统是当今多种磁约束聚变装置中的重要组成部分。对于频率在低混杂频率范围的射频波,即低杂波,由于其有着较低的频率,同时可以通过结构相对简单的天线注入等离子体,因此在诸多装置上有着广泛的应用。自上世纪70年代起,人们就对低杂波共振加热进行了深入研究,现如今,在主流的托卡马克装置上,人们主要利用低杂波的朗道阻尼机制来产生并维持环向电流,这是实现托卡马克稳态运行的重要方式之一。尽管人们在当今磁约束装置上对低杂波的应用已经取得了很大成功,但同样也面临诸多问题,如:随着等离子体参数和射频功率的不断提高,非线性效应对低杂波在等离子体边界的耦合以及在等离子体中的传播和吸收等都有着很大的影响,甚至在一定参数下会导致系统的完全失效。因此,更深入地了解低杂波和等离子体的相互作用是解决这些问题的关键。计算机模拟是人们认识和研究物理现象的一个重要手段。近年来,随着计算机性能的飞速提高和保几何结构算法的发展,使得对等离子体多尺度长期动理学行为的第一性原理的particle-in-cell（PIC）模拟成为可能。本文利用SymPIC这一 PIC模拟框架,基于显式高阶非正则辛算法,对托卡马克和磁镜这两个典型的磁约束装置中的低杂波相关问题进行了保几何结构的电磁全动理学模拟。在托卡马克装置中,低杂波主要被用于驱动电流和辅助加热。在本文中,我们研究了包括低杂波在边界的耦合效率、在高密度等离子体中传播的密度截止以及朗道阻尼吸收等人们关心的诸多物理问题,并在最后对低杂波电流驱动和能量沉积这两个问题进行了系统的分析。得益于所使用的电磁PIC方法,我们自洽地给出了低杂波多结波导天线在不同边界密度剖面下耦合的反射率。在低杂波高密度截止的模拟中,我们则给出了快慢波模式转换的位置及其物理图像。最后,我们针对低杂波在高温等离子体中的朗道阻尼这一问题进行了长期模拟,给出了线性到非线性朗道阻尼的转换图像,并准确给出了两种情况下的阻尼率。在托卡马克低杂波注入和电流驱动的模拟中,我们说明了电流驱动中动量守恒的重要意义,并提出了宏观电流形成的微观机制,同时我们也给出了非均匀等离子体中低杂波的能量沉积位置,并探究了寄生吸收在其中的影响。在磁镜装置中,我们研究了低杂波加热离子的可行性和效果。低杂波在共振层附近可以通过多种机制提高等离子体中离子垂直磁场方向的能量,而垂直方向能量的增加意味着粒子投掷角的增加,这直接提高了磁镜位型下粒子的约束效果,有着潜在的应用价值。在此,我们主要研究了磁镜中轴向强不均匀磁场对低杂波传播和共振的影响,以及低杂共振这一物理过程中的动理学和非线性效应。在这部分工作中,我们对磁镜装置进行了三维全尺寸的模拟,完整展示了低杂波在高度非均匀磁场下的传播行为,尤其是磁喉处波的散射以及波在非均匀等离子体中的角向传播的行为。在共振参数下的模拟中,我们准确给出了低杂波在磁喉附近对离子的加热情况。结果显示,在若干个波周期内,共振区域内离子垂直温度有超过10%的显著提升,这说明了低杂波在磁镜装置中加热的可行性和优势。总的来说,本工作从第一性原理保几何结构电磁全动理学模型出发,模拟了磁约束等离子体中低杂波多尺度长期演化问题。通过对托卡马克和磁镜参数下的模拟研究,我们展示了低杂波等离子体相互作用中的多种有意义的现象,说明了保结构算法在其中的优越性。借助于统一的PIC模拟框架SymPIC,我们仅需对模拟参数稍加改动即可实现不同低杂波相关问题的计算。并且得益于算法优秀的扩展性,我们能够利用多种超算平台进行装置尺度级别的模拟,以期为实验和理论提供有力支持。