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，規(guī)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(chǎn)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(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）、測角儀（精確控制晶體與探測器的角度）、探測器（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，樣品緩慢旋轉(zhuǎn)，探測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。