Gli acceleratori lineari sono apparecchiature impiegate per applicazioni di radioterapia, in grado di generare e controllare l'emissione di elettroni o raggi X ad alta energia. Gli elementi fondamentali che compongono un acceleratore lineare sono un modulatore, un cannone elettronico, una sorgente a radiofrequenza e una guida di accelerazione. Il modulatore produce impulsi ad alto voltaggio, alla frequenza di qualche centinaio al secondo, che costituiscono il segnale d'ingresso sincrono sia per il cannone elettronico che per la sorgente di radiofrequenza.

Il cannone elettronico, ricevuti gli impulsi ad alta tensione dal modulatore, produce a sua volta impulsi di elettroni della durata di alcuni microsecondi che vengono iniettati nella guida di accelerazione. In acceleratori ad alta energia, la sorgente di radiofrequenza è un magnetron, in quelli a energia medio-bassa è un klystron. Magnetron o klystron producono onde elettromagnetiche nel range di frequenza delle microonde (circa 3 GHz), necessarie per accelerare gli elettroni iniettati dal cannone elettronico nella guida di accelerazione. La guida d'accelerazione può essere di due tipi: a onda progressiva o a onda stazionaria. Nella struttura a onda stazionaria, gli elettroni vengono accelerati da un campo elettromagnetico in movimento, generato dalla propagazione delle microonde all'interno della guida stessa. Nella struttura a onda progressiva, il campo magnetico ha una localizzazione spaziale fissa con ampiezza variabile, punto per punto, con frequenza pari a quella delle microonde applicate. Entrambe i tipi di guida richiedono l'uso di una pompa a vuoto al fine di rimuovere eventuali molecole di gas che rischierebbero di interferire con il cannone elettronico. La guida accelera gli elettroni per raggiungere l'energia necessaria al trattamento e, una volta raggiunta, il fascio di elettroni è diretto su un bersaglio metallico (per esempio, tungsteno) producendo raggi X oppure è utilizzato direttamente per il trattamento. In gran parte degli acceleratori lineari è presente un sistema che, applicando un campo magnetico statico ortogonale alla direzione di movimento degli elettroni, li devia in funzione della loro energia. In tal modo, orientando opportunamente la finestra di uscita, è possibile estrarre solo quegli elettroni che hanno un determinato livello di energia.

La sagoma del trattamento viene determinata generalmente da due coppie di collimatori mobili che muovendosi in modo sincrono e simmetrico, creano finestre rettangolari di dimensioni variabili. Di solito, almeno una coppia di collimatori è asincrona e permette quindi sagome asimmetriche. Per forme personalizzate bisogna aggiungere dei limitatori ad hoc. Gli acceleratori lineari si dividono, in base alla loro energia, in tre fasce: acceleratori a bassa, a media e ad alta energia. I primi producono un unico fascio di fotoni X di una sola energia, compresa tra i 4 e i 6 MeV. Gli acceleratori a media energia producono fasci di fotoni X a due diverse energie, comprese tra i 6 e i 15 MeV e più fasci di elettroni di energia compresa tra i 3 e i 15 MeV. Gli acceleratori ad alta energia, infine, producono fasci di fotoni X di due o tre diverse energie, comprese tra i 6 e i 18-25 MeV e un certo numero di fasci di elettroni di energia compresa tra i 3 e i 20-25 MeV. Sono diffuse sul mercato apparecchiature che forniscono, oltre a una gamma di raggi di elettroni di energia compresa tra i 4 ed i 22 MeV, anche raggi X a due diverse energie: un raggio a bassa energia (6 MeV) e uno a energia di almeno 10 MeV.

L'acceleratore lineare è costituito da un complesso rotante contenente la sorgente a radio frequenza, il cannone elettronico, la sezione acceleratrice e la testa radiante. Il modulatore può essere collocato all'interno del complesso rotante oppure in una cabina separata posta a una determinata distanza dall'acceleratore.

Gli acceleratori lineari di moderna produzione sono strutture isocentriche la cui stabilità meccanica garantisce un corretto puntamento (coincidenza bersaglio-isocentro) senza il riposizionamento del paziente. Sono infatti dotati di lettino motorizzato, capace di effettuare movimenti sia lungo i tre assi x, y e z e sia di rotazione (uno dei movimenti è isocentrico rispetto all'asse del fascio). Alcuni trattamenti, detti terapia ad arco o terapia pendolare, vengono effettuati a gantry in movimento. Tutti gli acceleratori sono controllati in modo remoto da una console (posta al di fuori della stanza di trattamento) attraverso la quale è possibile controllare anche l'intensità di dose. Circa la metà dei pazienti con patologie neoplastiche ricevono un trattamento radioterapico primario o coadiuvante ad altri tipi di trattamento, oppure per la sola riduzione della sintomatologia dolorosa. Ciascun trattamento consiste in più applicazioni con diversa finestra d'ingresso e diverso aggiustaggio dei parametri dell'apparecchiatura. Nel complesso, un trattamento di questo tipo risulta meno costoso e presenta meno effetti collaterali rispetto ad altre tipiche terapie antitumorali. I moderni acceleratori lineari, inoltre, consentono una precisione, una versatilità, un'efficienza e una sicurezza tali da farli preferire da molti oncologi radioterapisti. Statisticamente, la distribuzione del sito delle patologie tumorali è tale che il 60% dei pazienti necessita di una terapia a raggi X a bassa energia, il 25% dei pazienti deve essere trattato con raggi X a energia media o alta, il 15% con un fascio di elettroni (il 30% dei quali a energia superiore ai 12MeV). Quest'ultimo 15% è composto in gran parte da pazienti che vengono trattati per fini curativi e non solo palliativi. Nonostante l'energia del fascio sia il parametro più importante, vanno presi in considerazione anche altri fattori, quali, ad esempio, l'intensità di dose (che deve essere superiore, qualunque sia l'energia utilizzata, a 200cGy/minuto).

L'uso di una apparecchiatura radiante necessita di una serie di infrastrutture particolari che garantiscano la sicurezza sia per gli operatori che per i pazienti. La stanza in cui verrà collocato l'acceleratore lineare dovrà essere schermata per evitare la dispersione di radiazioni X e di neutroni (che si generano quando si lavora con alte energie). Infine, a complemento dell'acceleratore lineare, sono necessari: la strumentazione per la misura della dose dei fasci sia di elettroni che di raggi X, un sistema computerizzato per l'elaborazione dei piani di trattamento e un laboratorio in cui vengano costruite le maschere atte alla definizione di campi di trattamento speciali.