霍尔推力器是一种等离子体推进装置,广泛应用于卫星位保和深空探测。耦合区是连接推力器加速腔和空心阴极之间的物理分区,负责向加速腔和离子束流注入电子,对推力器效率、点火可靠性、放电模式和关键零部件寿命有较大影响。然而,由于一些观念误区,关于耦合区的研究很少,目前物理过程不清楚,制约着进一步的理论与应用研究。另一方面,耦合区自身具备一定特殊性,与加速腔或空心阴极的有区别,也需要重新理顺工作原理、物理效应和主要矛盾。鉴于此,本文将耦合区按照空间划分为不同子分区,并研究了子分区的主要物理过程:阴极电子引出过程、电子在外磁场中与离子束流的中和过程以及离子束流的发散过程。电子引出过程中,本文发现阴极出口的大幅值放电振荡,源于一种独特的不稳定机制。该振荡的触发条件是引出电子束在触持极上有损失,在电源反馈下形成了电离振荡（“劫流激振”）;又由于阴极出口固有的类似正鞘的参数分布,这些电离振荡很容易发展成不稳定性（双元电离不稳定性）。这种不稳定机制会使引出压降升高、功率波动增大、离子腐蚀加快。利用平行磁场使电子束直径小于触持极孔径可以避免触发劫流激振,从而改进后续一系列放电特性（出口电流振幅减小～50%,引出压降减小～30%）。这就为阴极在推力器磁场中如何选择安装位置提供了参考。电子与离子束流中和过程中,本文发现耦合压降的成因是离子束流和阴极原初电子之间的电荷分离。阴极出口的磁感线捕获的高密度原初电子（“虚阴极”）是重要的等离子体结构,其位置决定了电子流动路径,以及横越磁感线传导的距离。结合磁偶极子场分布,本文以广义欧姆定律形式推导了虚阴极电子到达离子束流所需要的压降（输运压降）,分析了输运压降的优化策略,并给出了根据输运压值确定阴极位置的方法,实验中实现了输运压降减小～40%。引出压降与输运压降之和即为耦合压降,而耦合压降会明显影响推力器电压利用率,这就解释了推力器效率受阴极位置和角度影响的原因。离子束流发散过程中,本文发现耦合区内存在偏转电场,使喷出的离子束流发散,因此羽流发散本质上是“场致发散”占主导,而以往所关注的热扩散的贡献要小一个数量级。通过调整阴极位置、减小耦合压降,实验中在0.55m的长度上实现了羽流发散半角减小～36%至18.6°。场致发散还会在某种微观过程（例如离子飞行时间不稳定性）的辅助作用下产生朝向推力器侧翼的反常高能量离子射流,将阴极触持极的腐蚀速率加速至2.5～6.7倍。因此,阴极安装位置会影响推力器寿命,阴极单独寿命考核也需要考虑耦合加速腐蚀的影响,本文给出了单独考核时长的计算方法。由于推力器效率和阴极寿命在某些情况下不能兼顾,本文还提出了一种基于带有外部电子发射的阴极设计（“再生补偿”）。其出发点主要是通过抑制劫流激振,解除阴极与磁场的依赖关系,从而使阴极有更多位置选择。结果显示,再生补偿阴极的电离型振荡振幅降低55%,离子能量降低40%～50%,同时阴极的自持下界也从1.3A拓宽了一个数量级至0.2A,可以在不增加阴极流量、不施加触持极电流的情况下直接与小功率霍尔推力器耦合。但是这种阴极的引出压降却并未如预期那样降低,原因在于羽流中出现了电势非连续分布的“台阶区”。台阶区的统计特征显示其与双流不稳定性关系密切,很难避免,因此再生补偿的适用性应辩证评估。虽然本文研究的是物理过程,但捕捉到的关键物理效应还是衍生出了一系列涉及关键尺寸和试验设计的准则。此外,本文所提出的物理模型本身可扩展性良好,可以作为进一步研究多尺度效应、放电一致性等问题的参考。