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Ihren Ursprung nehmen die Protonen an der Ionenquelle, die im Ringbeschleuniger COMET sitzt. In ihr werden kontinuierlich Wasserstoffatome in Bruchteilen von Sekunden in negativ geladene Elektronen und positiv geladene Protonen zerlegt. Ein elektrisches Feld saugt die Protonen in den Ringbeschleuniger, wo sie 630 Mal auf einer Kreisbahn rotieren. Anschliessend werden sie in den Strahlengang geleitet und dort mithilfe von Magneten gebündelt.
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An den Behandlungsplätzen des Zentrums für Protonentherapie am PSI (hier abgebildet Gantry 3) können Tumore aus jeder Richtung bestrahlt werden. Deshalb muss die Gantry beziehungsweise ihr Bestrahlungskopf um den Patienten herumgedreht werden. Der gewaltige Drehkörper der Gantry ist 220 Tonnen schwer und bis zu 10,5 Meter breit. Diese Masse kommt unter anderem durch ein rotierendes Stahlgerüst, 9 Magnete zum Lenken des Protonenstrahls, das Vakuumrohr, in dem die Protonen gebündelt werden, Vorrichtungen zur Strahlen-diagnostik und einen 1,5 Meter breiten Kabelschlepp zustande. Die Drehung selbst leisten 2 Elektromotoren mit jeweils 10 PS.
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Die Protonen fliegen mit zwei Dritteln der Lichtgeschwindigkeit durch den 50 Meter langen Strahlengang zur Gantry und werden gezielt auf den Tumor gefeuert. Wie tief sie in den Körper eindringen, entscheidet ihre Energie. Für das richtige Energielevel sorgen Graphitkeile. Je dicker die Graphitschicht ist, die die Protonen durchdringen müssen, um so grösser ist die Bremswirkung und desto früher geben die Protonen ihre Energie im Gewebe ab. Wie weit diese Keile in den Strahlengang eingerückt werden müssen, bestimmt ein Dosimetrist bei der Therapieplanung.
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Der Protonenstrahl rastert den Tumor Schicht für Schicht ab. Im Körper übertragen die Protonen den grössten Teil ihrer Energie genau im Krebsgewebe. Protonen haben eine hohe Energiedichte. Dadurch kommt es in der Krebszelle zu direkten Schäden an der Erbsubstanz DNA, die sich im Zellkern befindet und alle wichtigen Informationen für das Überleben der Zelle enthält. Ebenfalls entstehen durch die aufgenommene Energie in der Zelle sehr reaktive Verbindungen, sogenannte freie Radikale. Auch diese freien Radikale schädigen die DNA der Zelle .