Röntgendiffractie (XRD) berust op de tweeledige golf/deeltjeskarakteristiek van röntgenstraling om informatie te verkrijgen over de structuur van kristallijne materialen. Een primaire toepassing van de techniek is de identificatie en karakterisering van verbindingen op basis van hun diffractiepatroon.
Het dominante effect dat optreedt wanneer een invallende bundel monochromatische röntgenstralen interageert met een doelmateriaal, is de verstrooiing van die röntgenstralen door atomen in het doelmateriaal. In materialen met een regelmatige structuur (d.w.z. kristallijn) ondergaan de verstrooide röntgenstralen constructieve en destructieve interferentie. Dit is het proces van diffractie. De diffractie van röntgenstraling door kristallen wordt beschreven door de Wet van Bragg, n(lambda) = 2d sin(theta). De richtingen van mogelijke diffracties hangen af van de grootte en de vorm van de eenheidscel van het materiaal. De intensiteit van de verstrooide golven hangt af van het soort atomen en de opstelling daarvan in de kristalstructuur. De meeste materialen zijn echter geen enkelvoudige kristallen, maar zijn samengesteld uit vele kleine kristallieten in alle mogelijke oriëntaties, een polykristallijn aggregaat of poeder genoemd. Wanneer een poeder met willekeurig georiënteerde kristallieten in een röntgenbundel wordt geplaatst, zal de bundel alle mogelijke interatomaire vlakken zien. Wanneer de experimentele hoek systematisch wordt gewijzigd, zullen alle mogelijke diffractiepieken van het poeder worden gedetecteerd.
De parafocusing (of Bragg-Brentano) diffractometer is de meest gebruikelijke geometrie voor diffractie-instrumenten.
Deze geometrie biedt de voordelen van een hoge resolutie en een hoge bundelintensiteit analyse ten koste van zeer nauwkeurige uitlijning eisen en zorgvuldig geprepareerde monsters. Bovendien vereist deze geometrie dat de bron-monster afstand constant is en gelijk aan de monster-tot-detector afstand. Fouten in de uitlijning leiden vaak tot moeilijkheden bij de fase-identificatie en onjuiste kwantificering. Een verkeerd gepositioneerd monster kan leiden tot onaanvaardbare fouten in de verplaatsing van het monster. Beperkingen in verband met de vlakheid, ruwheid en positionering van het monster maken in-line monstermetingen onmogelijk. Bovendien zijn traditionele XRD-systemen vaak gebaseerd op omvangrijke apparatuur met hoge vermogensvereisten en gebruiken zij röntgenbronnen met een hoog vermogen om de röntgenflux op het monster te verhogen, waardoor de gedetecteerde diffractiesignalen van het monster toenemen. Deze bronnen hebben ook grote excitatie gebieden, die vaak nadelig zijn voor de diffractie-analyse van kleine monsters of kleine monster kenmerken.
Polycapillaire röntgenoptiek kan worden gebruikt om veel van deze nadelen en beperkingen te overwinnen om XRD toepassingen te verbeteren. Polycapillaire collimatieoptieken zetten een sterk divergerende bundel om in een quasi-parallelle bundel met geringe divergentie. Zij kunnen worden gebruikt om een Parallel Beam XRD-instrumentgeometrie te vormen die veel bronnen van fouten in piekpositie en intensiteit die inherent zijn aan de parafocusing geometrie, zoals monsterpositie, vorm, ruwheid, vlakheid en transparantie, sterk vermindert en verwijdert. Polycapillaire focusseeroptieken verzamelen röntgenstralen van een divergerende röntgenbron en richten deze naar een kleine gefocusseerde bundel op het monsteroppervlak met diameters zo klein als tientallen micrometers voor micro-röntgendiffractietoepassingen van kleine monsters of kleine specimenkenmerken. Beide soorten polycapillaire optieken sturen zeer hoge röntgenintensiteiten naar het preparaatoppervlak, zodat XRD-systemen die gebruik maken van optieken röntgenbronnen met een laag vermogen kunnen gebruiken, waardoor de omvang, de kosten en het benodigde vermogen van het instrument worden beperkt.
Röntgendiffractie met behulp van röntgenoptiek is toegepast op veel verschillende soorten toepassingen, waaronder dunne-filmanalyse, evaluatie van de textuur van het preparaat, controle van de kristallijne fase en structuur, en onderzoek van spanning en rek van het preparaat.