空心阴极是一种高效的电子源,具有长寿命、高电子密度、高可靠性等优点,广泛应用于离子源、焊接、高能物理和航天电推进等领域。而随着微小卫星不断发展,电推进逐渐向小型化发展,也大大增加了百毫安级空心阴极的需求。本文分析了传统空心阴极放电功耗高、自持流量大的原因。通过实验测试,结合理论分析和数值仿真,从热和等离子体等方面研究了小电流空心阴极自持机理。通过变发射体结构进行了优化设计,开发了一款百毫安级低电流、低流量、高可靠的空心阴极,为商业航天广泛采用的百瓦级电推进系统提供了一个选择。通过对传统结构空心阴极的实验和分析,发现空心阴极正常工作时流量在0.5sccm以上,电流在0.5A以上,功耗最低10W。通过机理分析发现,阴极在小电流放电时会出现发射体温度下降导致热发射不足的问题,以及流量下降导致发射体内等离子密度下降,等离子向后扩散损失的问题,这是限制其小电流拓展的关键因素。针对这些问题,提出了加芯、加遮挡和悬空发射体结构。加芯结构更高效地接受等离子体加热,减少散热,可以有效降低自持流量和自持电流,正常工作流量可以降到0.3sccm,最低0.1-0.15sccm,最低流量0.15-0.2A,功耗5-6W,但是存在高温下芯发射体失效的问题。加遮挡结构阻挡了小流量下等离子体向后扩散,可以降低自持流量,对功耗的降低效果不明显。悬空结构减少了散热,可以一定程度降低功耗,对流量降低效果不明显。在小电流拓展中,发现在自持电流的下边界处往往会出现一种超低频振荡现象,振荡周期0.5-2s,幅度接近放电参数,对振荡过程的羽流区等离子体参数和发射体温度进行了测量,发现这种振荡可能是热发射不足导致的发射体温度和电压不断调节变化导致的,这种振荡也是限制空心阴极小电流自持的重要原因之一。最后,对小电流放电综合性能进行了优化,最快热启动时间25-30s,加热启动时点火温度在1340℃,启动冲击可能会在发射体上沉积金属导致逸出功升高,小电流自持变差。启动冲击电流与点火电压和流量有关。隔热结构对小电流自持性能影响很小。进行了4000h稳态放电测试和5000次点火实验,没有出现失效问题。