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其工作原理基于布拉格定律（$n\lambda =2d\sin \theta$）：當單色X射線照射到晶體表面時，規則排列的原子層會作為三維衍射光柵。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λ符合公式）才會產生相干衍射，形成特定方向的光斑。儀器通過收集這些衍射信號，結合計算機分析衍射峰的位置與強度，可反推出晶體的空間群、原子坐標及鍵合方式。

現代儀器通常由X射線源（如Cu靶材產生特征譜線）、測角儀（精確控制晶體與探測器的角度）、探測器（如CCD或半導體計數器）及數據處理系統組成。實驗時，樣品緩慢旋轉，探測器同步采集多維衍射數據，經傅里葉變換或Rietveld精修等算法，最終解析出三維結構模型。該技術不僅推動新藥研發中的靶點分析，還在半導體材料質量控制、地質年代測定等領域發揮關鍵作用，是連接微觀結構與宏觀性能的重要橋梁。