放射線は光子放射線と粒子放射線に分けられます。光子ビームは高エネルギーの光子であり、粒子ビームは加速された粒子です。前者にはX線とガンマ線が含まれ、後者には陽子線と重粒子線（「重イオンビーム」とも呼ばれる）が含まれます。

重粒子線は人体に入った後、従来の放射線治療で一般的に使用される光子線のように体の表面に大量のエネルギーを放出しません。その代わりに、所定の深さに達するまでエネルギー損失がほとんどなく、非常に速い速度で体の表面を貫通します。所定の深さに達した時点で速度は急速に低下し、エネルギーの大部分が放出されて線量ピークを形成し、その後停止します。 X線や陽子線と比較すると、重粒子線の生物学的効果（腫瘍殺傷効果）は前者の2～3倍にもなります。