Gli ioni vengono accelerati prima per mezzo di un ciclotrone o di un sincrotrone. L'energia finale del fascio di particelle emergente definisce la profondità di penetrazione, e quindi, la posizione in cui verrà deposta la dose massima. Poiché è facile deviare il fascio mediante elettromagneti in una direzione trasversale, è possibile impiegare un metodo di scansione raster, cioè scansionare la zona del volume bersaglio come avviene in un tubo catodico. Se, inoltre, l'energia del fascio e quindi la profondità di penetrazione viene variata, un volume bersaglio intero può essere suddiviso in tre dimensioni, fornendo un'irradiazione esatta seguendo la forma del tumore. Questo è uno dei grandi vantaggi rispetto ai sistemi tradizionali di terapia con raggi X.