场发射尖端产生的真空电弧在各种需要高电场的真空装置中广泛存在,如真空灭弧室、x射线源、聚变反应器和粒子加速器。虽然真空电弧已经被研究了半个多世纪,并且众所周知,它们出现在强场电子发射之后,但在不存在任何可电离气体的情况下,从场发射到等离子体点火的物理机制尚不清楚。纯理论不能对潜在的过程提供深刻的物理理解,也不能先验地预测特定系统的行为。而电弧等离子体密度可能高达1020cm-3,阴极斑点的大小通常为微米级,寿命约为1到100纳秒。由于真空电弧的时间和空间尺度及其高等离子体密度,进行实验观测非常困难,其特性的研究是一个具有挑战性的问题。因此,我们需要开发模拟仿真工具,以严格且定量的方式描述复杂电极真空放电,并提供对导致真空电弧点火的物理过程以及电极形状对其影响的深入理解。提出了一种耦合浸入式有限元、质点网格法和直接模拟蒙特卡洛法的方案来模拟金属电极真空放电表面对强电场的响应。对比了有限差分求解方案的优劣,提升了电势场的求解精度,降低了网格节点的平均误差率。对于传统的浸入式有限元算法进行了改进,添加了新的界面信息捕捉和节点判断模块,突破了传统浸入式有限元算法只能求解标准的矩形和圆形的局限性。改进后的浸入式有限元算法可以求解更多更复杂的界面,解决了复杂电极真空电弧模拟场的求解问题。金属电极尖端周围的电场将通过求解具有真实几何结构的泊松方程自洽计算,而不仅仅是简单的设置一个场增强因子来解释人工尖端。建立了复杂电极界面粒子模型,在Fowler-Nordheim发射方程的基础上修正了场致发射电流的计算方法,使得电弧的激发更为合理,能够考虑电极形状带来的影响。除了场致电子发射外,提出了复杂界面的二次电子发射、中性粒子蒸发和重粒子溅射方法。引入了一个可靠的阴极和电弧等离子体之间的传质模型来描述中性粒子的注入,可以进一步加强模拟结果。结合质点网格法模拟的分子动力学,研究了电弧等离子体与金属电极尖端的相互作用以及阴极斑点内粒子的行为。