Røntgendiffraktion (XRD) er baseret på den dobbelte bølge/partikelnatur af røntgenstråler for at få oplysninger om strukturen af krystallinske materialer. En primær anvendelse af teknikken er identifikation og karakterisering af forbindelser baseret på deres diffraktionsmønster.
Den dominerende effekt, der opstår, når en indfaldende stråle af monokromatiske røntgenstråler interagerer med et målmateriale, er spredning af disse røntgenstråler fra atomer i målmaterialet. I materialer med regelmæssig struktur (dvs. krystallinske) undergår de spredte røntgenstråler konstruktiv og destruktiv interferens. Dette er processen med diffraktion. Røntgenstråles diffraktion i krystaller beskrives ved Braggs lov, n(lambda) = 2d sin(theta). Retningerne for de mulige diffraktioner afhænger af størrelsen og formen af materialets enhedscelle. Intensiteten af de diffrakterede bølger afhænger af atomernes art og placering i krystalstrukturen. De fleste materialer er imidlertid ikke enkeltkrystaller, men består af mange små krystallitter i alle mulige orienteringer, som kaldes polykrystallinsk aggregat eller pulver. Når et pulver med tilfældigt orienterede krystallitter anbringes i en røntgenstråle, vil strålen se alle mulige interatomare planer. Hvis forsøgsvinkelen ændres systematisk, vil alle mulige diffraktionstoppe fra pulveret blive detekteret.
Diffraktometeret med parafokusering (eller Bragg-Brentano) er den mest almindelige geometri for diffraktionsinstrumenter.
Denne geometri giver fordelene ved høj opløsning og analyse med høj stråleintensitet på bekostning af krav om meget præcis justering og omhyggeligt forberedte prøver. Desuden kræver denne geometri, at afstanden mellem kilde og prøve er konstant og lig med afstanden mellem prøve og detektor. Justeringsfejl fører ofte til vanskeligheder med faseidentifikation og ukorrekt kvantificering. En forkert placeret prøve kan føre til uacceptable forskydningsfejl i prøven. Prøvens planhed, ruhed og positioneringsbegrænsninger udelukker måling af prøven i linje. Desuden er traditionelle XRD-systemer ofte baseret på voluminøst udstyr med høje strømkrav, og der anvendes kraftige røntgenkilder for at øge røntgenstrålefluxen på prøven og dermed øge de detekterede diffraktionssignaler fra prøven. Disse kilder har også store excitationsområder, hvilket ofte er ufordelagtigt for diffraktionsanalyse af små prøver eller små prøveelementer.
Polykapillær røntgenoptik kan bruges til at overvinde mange af disse ulemper og begrænsninger for at forbedre XRD-applikationer. Polykapillær kollimerende optik omdanner en stærkt divergerende stråle til en kvasiparallel stråle med lav divergens. De kan anvendes til at danne en parallelstråle-XRD-instrumentgeometri, som i høj grad reducerer og fjerner mange fejlkilder i peakposition og -intensitet, der er forbundet med den parafokuserende geometri, f.eks. prøvens position, form, ruhed, fladhed og gennemsigtighed. Polykapillær fokuseringsoptik opsamler røntgenstråler fra en divergerende røntgenkilde og leder dem til en lille fokuseret stråle på prøveoverfladen med diametre så små som ti mikrometre til mikrorøntgendiffraktionering af små prøver eller små prøveelementer. Begge typer polykapillær optik retter meget høje røntgenintensiteter mod prøveoverfladen, således at XRD-systemer, der anvender optik, kan anvende røntgenkilder med lav effekt, hvilket reducerer instrumentets størrelse, omkostninger og strømbehov.
Røntgendiffraktion ved hjælp af røntgenoptik er blevet anvendt til mange forskellige typer af applikationer, herunder tyndfilmsanalyse, evaluering af prøvens tekstur, overvågning af krystallinsk fase og struktur og undersøgelse af prøvens spænding og belastning.