霍尔推力器具有高效率、高比冲以及高可靠性等优点,自从1970年成功研制以来,已经广泛用于各种实际飞行任务,成为世界各航天大国电推进装置研究中的热点。在氙气资源储量越来越少的限制下,氪工质霍尔推进器的研究受到了更为广泛的关注,但在其性能改进过程中遇到了不少技术瓶颈。近年来俄美欧的一些科研单位虽然较为系统地研究了霍尔推力器在变氪工质时的性能变化规律,分析了等离子体束聚焦在其中所起到的作用,却一直没能在霍尔推力器上实现,但也已经充分认识到了它是影响氪工质霍尔推力器性能的最重要因素之一。本文正是基于这一关键性问题展开的相关工作,通过实验研究与理论分析相结合的方法,来确定氪工质霍尔推力器实现等离子体束聚焦的基本条件,并寻找其中主要的影响机理。本文根据所要研究的基本问题—氪工质在霍尔通道内的电离和加速聚焦过程,对现有实验测量方法进行了大幅改进,实现了羽流近场区等离子体束射流和通道内氪工质电离过程的探针和光谱测量,数据精度满足论文要求,为相关问题的研究奠定了基础。针对所研究的问题,本文首先通过对氪工质霍尔推力器HET-P70的结构改进和参数调节,实现了氪等离子体束的良好聚焦,优化工况下11.5o羽流发散半角指标具有国际领先水平,为等离子体束聚焦的深入研究提供了良好的实验平台。在此基础之上,本文通过对磁场位形的量化定义,分析了其在工况调节时的变化规律,找到了霍尔推力器等离子体束在优化聚焦状态下磁场位形的设计特点,解释了羽流形态随磁场位形变化的原因。通过分析离子在通道内的运动规律,深入研究了工质电离位置对等离子体束射流状态的影响,并阐明了相应的物理机制,进而解释了阳极供气流量、发动机低频振荡和放电电压对氪工质等离子体束聚焦特性的影响。利用蒙特卡洛方法确认了电离区位置宽度等因素对等离子体束聚焦状态的影响机理,并分析了通道内热化电势、离子初始能量和工质变化的影响机制。针对氪气的电离问题,本文通过分析确定了其最主要的影响因素,并利用过热电场下的电子能量平衡,解释了电子能量与电离区位置之间的关系,阐述了磁场强度、磁场梯度和供气流量对工质电离位置和宽度的影响。针对氪气霍尔推力器在低供气流量下工质利用率降低和电离区展宽的现象,本文采用了通道截面变化的方法,来控制中性气体流动和密度分布,进而达到提高工质利用率和集中电离区的目的,并利用实验给予了证实。最后本文利用改变加热功率的方法,研究了空心阴极对霍尔推力器等离子体束聚焦特性和发动机推力、比冲效率的影响,并利用阴极电子发射原理和耦合区的电压变化给予了合理的解释。利用实验结果确认了空心阴极加热功率过大条件下,霍尔推力器性能的下降与低频振荡增加时所伴随的电离区展宽及羽流发散半角增大有关,并对低频振荡增加的原因进行了简要的分析。