En el caso de los aceleradores electroestáticos tándem (véase el gráfico), los haces de iones son bombardeados en una muestra de material o un objeto. La interacción con el material puede hacer que los iones del haz cambien de dirección, o la colisión puede provocar que se liberen partículas o radiación, principalmente en forma de rayos X o rayos gamma, radiación que es posible detectar y analizar.
Las propiedades de la energía y de la radiación emitida revelan detalles sobre la composición de la muestra bombardeada, por ejemplo, si es cristalina o no, su dureza y propiedades físicas que son de interés para las tecnologías emergentes. Asimismo, los materiales de muestra u objetos bombardeados pueden variar en cuanto a forma y fase de la materia, y pueden ser láminas; peque?as pastillas de suelo; células humanas, animales o vegetales; semillas; rocas; líquidos o incluso bienes históricos o estatuas. Dependiendo de la forma y composición del material, el bombardeo puede producirse en un vacío o en aire.
Gracias a sus capacidades únicas de análisis y modificación, los haces de iones acelerados se usan en muchas aplicaciones. En el fitomejoramiento por inducción de mutaciones, se utilizan para irradiar material vegetal o plántulas con el fin de acelerar su proceso de evolución natural induciendo mutaciones, a efectos de conseguir que los cultivos tengan mayor rendimiento o sean resistentes a enfermedades y sequías.
Los protones y otros iones se utilizan mucho para producir los radioisótopos necesarios para crear radiofármacos destinados al diagnóstico y el tratamiento del cáncer. En la terapia oncológica se utilizan haces de protones y de iones de carbono para bombardear tumores cancerosos, especialmente cuando no es posible administrar otra terapia. Estos haces suministran energía a un tumor para calentarlo y desintegrarlo.
Con el aumento de la demanda de materiales más fuertes y mejores, también se utilizan diversos haces de iones para modificar las propiedades de los materiales y, así, reforzar su resistencia. Un ejemplo de ello son los vehículos espaciales o los reactores de fusión, que precisan materiales que les permitan operar en entornos con altos niveles de radiación.