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其工作原理基于布拉格定律（$n\lambda =2d\sin \theta$）：當(dāng)單色X射線照射到晶體表面時(shí)，規(guī)則排列的原子層會(huì)作為三維衍射光柵,。只有滿足布拉格條件的晶面（即入射角θ,、晶面間距d與X射線波長(zhǎng)λ符合公式）才會(huì)產(chǎn)生相干衍射，形成特定方向的光斑,。儀器通過(guò)收集這些衍射信號(hào),，結(jié)合計(jì)算機(jī)分析衍射峰的位置與強(qiáng)度,，可反推出晶體的空間群,、原子坐標(biāo)及鍵合方式。

現(xiàn)代儀器通常由X射線源（如Cu靶材產(chǎn)生特征譜線）,、測(cè)角儀（精確控制晶體與探測(cè)器的角度）,、探測(cè)器（如CCD或半導(dǎo)體計(jì)數(shù)器）及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。實(shí)驗(yàn)時(shí),，樣品緩慢旋轉(zhuǎn),，探測(cè)器同步采集多維衍射數(shù)據(jù)，經(jīng)傅里葉變換或Rietveld精修等算法,，最終解析出三維結(jié)構(gòu)模型,。該技術(shù)不僅推動(dòng)新藥研發(fā)中的靶點(diǎn)分析，還在半導(dǎo)體材料質(zhì)量控制,、地質(zhì)年代測(cè)定等領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用,，是連接微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能的重要橋梁。