本论文进行了自持空心阴极关键尺寸的研究工作。自持空心阴极是用于航天器电推进系统的重要部件，承担着提供等离子体放电和中和羽流的电流的重任。空心阴极的性能和功耗等对推进系统有重要影响。由于材料逸出功的存在，等离子体压降集中在阴极附近，而阴极等离子体的空间范围主要受发射体和节流孔的限制，等离子体的电离、扩散等物理过程都受到这几个尺寸的影响。因此节流孔和发射体尺寸是空心阴极的关键尺寸。关键尺寸的设计是空心阴极系列化发展的重要课题。本文以实验和数值模拟两种手段，对空心阴极的关键尺寸问题进行了研究工作。搭建了空心阴极放电实验平台，包括相关电路、管路、程序等部分，设计制作了能够测量空心阴极内部等离子体参数的探针平台。使用Comsol建立了空心阴极多物理场耦合的数值模型。模型包括等离子体放电、流动和传热等相互强烈耦合的物理过程，原子、原子激发态和电子、离子的多种碰撞反应，等离子体对气体和壁面的加热机制，以及离子对流动的阻滞因素。模型能与实验较好地吻合。以实验和模拟的手段研究了空心阴极发射体尺寸的影响和设计准则。进行了发射体尺寸的对比实验和模拟，发现了发射体内径与等离子体预鞘层和放电性能的关系，提出发射体内孔半径与等离子体预鞘层相等的设计准则。根据材料和放电电流确定发射体内表面积。提出等离子体在发射体区延伸的有效长度，并以之为根据确定发射体长径比的设计准则。研究了空心阴极节流孔尺寸的影响规律和设计准则。节流孔内径越小或长度越长，空心阴极内部气压越高，且孔加热效应越强；气压对孔径更敏感。节流孔对空心阴极内部气压有强烈的节制效果，而气压是等离子体预鞘层尺寸的重要影响因素。根据发射体内径设计准则提出节流孔的节流效果设计准则，即节流效果应与之匹配。根据节流孔尺寸对加热效应的影响规律提出根据放电电流大小选择孔尺寸的设计准则。根据节流孔长度和直径在寿命方面的差异，提出寿命设计准则，应保证孔有一定长度，且放电电流越小长径比应越大，并设计锥孔，补偿孔径扩大的影响。