20世纪50年代以来，计算方法在理解和研制真空电子器件方面一直起着关键性的作用。电磁PIC方法则被称为HPM器件的第一性原理方法。目前，在真空电子学领域，电磁PIC方法是应用最广、同时也是可信度最高的方法之一。经过几十年的发展，这一方法已逐步走向成熟，然而却依然还存在着许多地方需要不断的创新和完善。首先，边界条件是电磁PIC方法中不可缺少的一部分，每个HPM器件的模拟都必须用到多种边界条件。而随着科学研究的不断深入，大量的新边界条件被提出，同时许多已有边界条件也有着完善和改进的需要。故而边界条件是一直是计算领域的研究热门。其次，随着HPM器件的设计模式和频谱都越来越高，腔体结构也越来越精细，越来越多的器件会因网格总量太大而存在内存限制无法解析和计算的情况。而且由于这类器件在实验测量或是应用中一般都会有导出装置、模式转换器或是天线等外部结构，故而常常会因为一些负载匹配或是模式截止等因素的影响，实验结果与单独设计的模拟结果有着较大的出入。而此时一般只能半经验半理论的去推测影响的来源进行调试和实验，常常浪费大量人力物力。而对于它的直接整体模拟无疑也会因为网格总量太大而出现内存限制的情况。除此之外，由于电磁PIC方法一般都需要较多的机时，特别是对于上面提到的电大尺寸、腔体结构精细的器件或者器件系统，即使实现对其的模拟，计算时间也会相当长。故而将这一方法应用到高性能集群甚至巨型机上成百上千核心高效的并行计算也一直是计算模拟的重要研究方向。它的实现能将串行计算时间缩短数十甚至数百倍以上，从而实现电磁PIC方法对计算量较大器件的参数调试和设计优化的功能。基于这些情况，本论文在深入研究电磁PIC理论和算法的基础上对上述几类器件的模拟算法进行了研究和实现，并在实现和完善了若干常见边界条件的情况下对几种腔体结构精细的器件或者器件系统进行了模拟，最后在实现高性能集群多核高效并行的基础上对这一方法进行了详细的应用研究，主要内容有下面几点：1．对电磁PIC方法中的若干关键边界条件进行了研究。将边界条件分为粒子发射边界和粒子与场处理边界两大类。重点对粒子发射边界条件进行了研究，实现了回旋电子发射、热电子发射、场致发射、热场致发射和空间电荷限制流发射等发射模型。2．实现了基于“分段解析”的三维电磁PIC并行算法，并进行了若干验证性的计算和改进。在深入研究电磁粒子模拟方法的场算法和粒子推进算法，提出并实现并行算法的基础上进行改进，实现了基于“分段解析”的并行算法。并对基于分段建模、分段解析的并行算法进行了改进：在建模和解析上提出了整体建模、分段解析方法，可以更好的生成连接体网格保证数据交换，减少网格匹配错误的发生，同时也可以使建模更加方便；在粒子计算算法上，改进了交换算法，减少了信息交换量和计算量；在并行时序方面，通过每个时间步减少了一次进程同步，进一步提高了计算效率。3．电磁PIC方法的高性能计算技术研究。将CHIPIC3D软件分别在Windows系统、Linux系统PC机群和高性能集群上实现并行计算。并针对Linux系统应用NCARG图像库和NCL语言开发了图像界面，同时应用北京应用物理与计算数学研究所开发的JADLib库和Javis软件，成功的实现了良好的数据诊断功能。4．实现了基于“分段解析”的三维电磁PIC并行算法的应用性研究。在高性能平台上基于“分段解析”的并行算法，对多种电大尺寸的器件、腔体结构精细的器件或者器件系统进行了并行模拟和调试。模拟结果验证了算法的正确性以及对这一类器件或是器件系统在实验上的参数调试和优化设计作用。