利用單晶體對 X射線的衍射效應來測定晶體結構的實驗方法。依照強度記錄方式的不同，可分為照相法和衍射儀法兩類(見彩圖)。
多晶X射線衍射儀
北京大學儀器廠供稿
照相法 使射線作用在膠片上，然後測量底片上衍射點的黑度來獲得衍射線的強度數據，根據實驗裝置和條件的差別，又分為多種方法。
勞厄照相法 用連續波長的 X射線照射到靜止不動的單晶體上，通常采用平板底片，所攝得的衍射圖稱為勞厄圖。勞厄圖常用來測定晶體的對稱性和用於晶體的定向等。
轉動照相法 單波長的 X射線垂直照射到不停地轉動著的單晶體上，底片卷成圓筒狀並使其軸線與晶體的轉軸重合。若轉軸與晶體的某一晶軸（假定是c軸）平行，則衍射線分佈在如圖1a
所示的一系列圓錐面上，衍射圖展平後如圖1b所示，圖中衍射點排列成一系列平行的層線。利用轉動圖中的層線間距可算出晶格參數（見
點陣），若晶體的
c軸與轉動軸一致，則
c軸長可由下式求得：
式中λ為X射線的波長；r為圓筒形底片的半徑；yn為第n層層線和零層線的距離。對於結構簡單的晶體，轉動法可用於測定其晶體結構；但對於較復雜的結構，轉動法就有困難，這是因為同一層線的衍射點分佈密集，不利於衍射點的指標化和強度測量。
回擺照相法 實驗條件和裝置與轉動法基本一樣，差別在於照相過程中，晶體隻在選定的角度范圍內來回擺動。這樣可以避免同一層線上衍射點的重疊。但要攝取多套回擺圖，才能收集完整的衍射數據。回擺照相法若配上計算機，自動測量衍射點強度和指標化，則有相當的優越性。目前廣泛用於蛋白質的結構分析，與四圓衍射儀比較，可節省衍射實驗的時間。
韋森堡照相法 同一層線的衍射點是由不同晶面在晶體轉動的不同時刻反射得到的，若在晶體轉動時，讓帶動晶體擺動的馬達通過渦輪渦桿同時使底片圓筒左右來回擺動，就可將原在同一層線的衍射點分開，這類方法稱為運動底片法。韋森堡照相法是運動底片法的一種，其裝置如圖2所示。晶體的轉軸和感光膠片圓筒均水平安放，在晶體與底片之間有一個層線屏，以便將其他層的衍射線遮住，隻讓某一層線的衍射線射到底片上，這類衍射圖如圖3所示。
韋森堡圖既可用來確定晶體的微觀對稱性和晶格參數，又可較方便地進行衍射點的指標化和測量強度，因而在四圓衍射儀被廣泛使用之前，它是測定晶體結構的重要方法之一。
單晶衍射儀法 此法用射線計數儀直接記錄射線的強度。單晶衍射儀有線性衍射儀、四圓衍射儀和韋森堡衍射儀等，其中以四圓衍射儀(圖4)，(見彩圖)最為通用。所謂四圓是指晶體和計數器藉以調節方位的四個圓，分別稱為φ圓、χ圓、w圓和2θ圓。φ圓是安裝晶體的測角頭轉動的圓；χ圓是支撐測角頭的垂直圓，測角頭可在此圓上運動；w圓是使χ圓繞垂直軸轉動的圓，2θ圓與w圓共軸，計數器繞著這個軸轉動。這四個圓中，w圓、φ圓和χ圓用於調節晶體的取向，使某一指定的晶面滿足衍射條件，同時調節2θ圓，使衍射線進入計數器中。通常，四圓衍射儀配用電子計算機自動控制和記錄，可以精確測定晶格參數，並將衍射點的強度數據依次自動收集，簡化瞭實驗過程，而且大大提高瞭數據的精確度。因此，它已成為當前晶體結構分析中強有力的工具。
四圓衍射儀。右為其探頭