Röntgendiffraktio (XRD) perustuu röntgensäteilyn aalto- ja hiukkasluonteen kaksinaisuuteen saadakseen tietoa kiteisten materiaalien rakenteesta. Tekniikan ensisijainen käyttötarkoitus on yhdisteiden tunnistaminen ja karakterisointi niiden diffraktiokuvion perusteella.
Hallitseva vaikutus, joka syntyy, kun osuva monokromaattinen röntgensäteilysäde on vuorovaikutuksessa kohdemateriaalin kanssa, on kyseisten röntgensäteiden sironta kohdemateriaalin sisällä olevista atomeista. Säännöllisen rakenteen omaavissa materiaaleissa (esim. kiteisissä) sironneissa röntgensäteissä tapahtuu rakentavaa ja tuhoavaa interferenssiä. Tämä on diffraktioprosessi. Röntgensäteiden diffraktiota kiteissä kuvaa Braggin laki, n(lambda) = 2d sin(theta). Mahdollisten diffraktioiden suunnat riippuvat materiaalin yksikkösolun koosta ja muodosta. Diffraktoituneiden aaltojen voimakkuudet riippuvat kiderakenteen atomien lajista ja sijoittelusta. Useimmat materiaalit eivät kuitenkaan ole yksikiteitä, vaan ne koostuvat monista pienistä kiteistä kaikissa mahdollisissa orientaatioissa, joita kutsutaan monikiteiseksi aggregaatiksi tai jauheeksi. Kun jauhe, jossa on satunnaisesti suuntautuneita kiteisiä, asetetaan röntgensäteeseen, säde näkee kaikki mahdolliset atomien väliset tasot. Jos koekulmaa muutetaan systemaattisesti, jauheesta havaitaan kaikki mahdolliset diffraktiopiikit.
Parafokusoiva (tai Bragg-Brentano) diffraktometri on diffraktiolaitteiden yleisin geometria.
Tämä geometria tarjoaa korkean resoluution ja suuren säteen intensiteettianalyysin edut, mutta sen hintana ovat erittäin tarkat kohdistusvaatimukset ja huolellisesti valmistetut näytteet. Lisäksi tämä geometria edellyttää, että lähteen ja näytteen välinen etäisyys on vakio ja sama kuin näytteen ja ilmaisimen välinen etäisyys. Kohdistusvirheet johtavat usein vaikeuksiin vaiheen tunnistamisessa ja virheelliseen kvantifiointiin. Väärin sijoitettu näyte voi johtaa näytteen siirtymävirheisiin, joita ei voida hyväksyä. Näytteen tasaisuus, karheus ja paikannusrajoitukset estävät näytteen in-line-mittauksen. Lisäksi perinteiset XRD-järjestelmät perustuvat usein tilaa vieviin laitteisiin, joiden tehontarve on suuri, ja niissä käytetään suuritehoisia röntgensäteilylähteitä, jotka lisäävät näytteeseen kohdistuvaa röntgensäteilyvirtaa, jolloin näytteestä havaittavat diffraktiosignaalit lisääntyvät. Näillä lähteillä on myös suuret herätealueet, jotka ovat usein epäedullisia pienten näytteiden tai pienten näytepiirteiden diffraktioanalyysin kannalta.
Polykapillaarista röntgenoptiikkaa voidaan käyttää monien näiden haittojen ja rajoitusten poistamiseen XRD-sovellusten parantamiseksi. Polykapillaarinen kollimointioptiikka muuntaa voimakkaasti divergentin säteen lähes samansuuntaiseksi säteeksi, jonka divergenssi on pieni. Niitä voidaan käyttää muodostamaan rinnakkaisen säteen XRD-kojeen geometria, joka vähentää ja poistaa huomattavasti monia parafokusointigeometrialle ominaisia piikin sijaintia ja intensiteettiä koskevia virhelähteitä, kuten näytteen sijaintia, muotoa, karheutta, tasaisuutta ja läpinäkyvyyttä. Polykapillaarinen fokusointioptiikka kerää röntgensäteet divergentistä röntgenlähteestä ja ohjaa ne pieneksi fokusoiduksi säteeksi näytteen pinnalle, jonka halkaisija on jopa kymmeniä mikrometrejä pienten näytteiden tai pienten näytteiden ominaisuuksien mikroröntgendiffraktiosovelluksia varten. Molemmat polykapillaariset optiikkatyypit ohjaavat näytteen pintaan hyvin suuria röntgensäteilyn intensiteettejä, joten optiikkaa käyttävissä XRD-järjestelmissä voidaan käyttää pienitehoisia röntgensäteilynlähteitä, mikä pienentää laitteen kokoa, kustannuksia ja tehovaatimuksia.
Röntgendiffraktiota, jossa käytetään röntgenoptiikkaa, on sovellettu moniin erityyppisiin sovelluksiin, mukaan lukien ohuiden kalvojen analyysi, näytteen tekstuurin arvioiminen, kidevaiheen ja -rakenteen seuraaminen sekä näytteen jännityksen ja muodonmuutoksen tutkiminen.