放射线分为光子线和粒子线。光子线是高能量的光子，粒子线是被加速的粒子。前者包括X射线、伽玛射线，后者包括质子线和重粒子线（也被称为”重离子线”）。

重粒子线在入射到人体内后，不会像传统放疗中常用的光子线一样在体表部分释放大量能量，而是以非常快的速度在几乎不损失能量的情况下穿透体表部分，直到达到预定深度，在此位置速度迅速降低，大部分能量释放形成剂量峰值，然后停止。与X射线以及质子线相比，重粒子线的生物学效应（肿瘤杀灭效果）可以达到前者的2到3倍。