高能粒子束在清除空间碎片、可控核聚变、粒子束武器和粒子推进器等领域都有突出的应用潜力。尤其在清除空间碎片上,基于粒子束的非接触式清除技术是近年来的研究热点。而传统的基于离子束清除空间碎片的方法目前还有许多难点和问题需要解决,主要难点在于离子束受地磁场影响较大,由于地磁场干扰给离子束流的射程与精度带了很大的影响,而中性束不受磁场影响,并且不会因为电荷间作用力造成发散,相对离子束射流清除空间碎片的方法有着巨大的优势。为了得到理想的中性束,对高能粒子束电磁约束及碰撞运动的研究至关重要。本论文采用三维PIC/MCC静电模型对航天器中高能粒子束电磁约束和碰撞运动进行了数值研究,模拟了粒子在电磁场下的运动、带电粒子与自洽电场相互作用、粒子间的碰撞运动等物理过程,并对高能离子束中性化过程进行了研究。本论文的研究工作包括:1.首先介绍了高能粒子束的应用背景和研究历史,阐述了高能粒子束的研究价值。简要介绍了离子束中性化的基本原理,和国内外关于离子束中性化的研究动态。2.概述了等离子体数值模拟研究的三种常用的数值方法,流体方法、动理方法和PIC/MCC方法,并且分析了三种方法的优劣势,对本文采用PIC/MCC方法进行模拟的原因进行阐述,介绍了PIC/MCC方法的发展历程。3.详细地介绍了静电型三维PIC/MCC算法流程,并且对各个模块的差分格式进行推导和详细的描述。主要包括:静电场求解、粒子运动求解、带电粒子自洽场求解、粒子间碰撞求解,并且给出了算法设计的流程图。4.基于静电型三维PIC/MCC算法开发了求解程序,对粒子束的碰撞运动和电磁约束进行模拟,对离子束与气体碰撞产生中性束的物理过程进行了分析,并重点分析了中性束的关键性能参数:中性化效率和发散度。结合磁镜场原理,研究了约束磁场对离子束和中性束发散度的影响。5.结合实验室中性化气室的实际物理参数,研究了加速电极产生的静电场对离子束的影响,对离子束中性化过程进行了模拟,得到了不同时刻离子束、中性束和电势的分布情况,以及中性化气室内离子束的中性化效率、中性束的发散度。