射频发射线圈行业市场前瞻与投资战略规划

射频发射线圈行业市场前瞻与投资战略规划

超导体的发展历史回顾超导体的发展历史，超导研究对象逐步由简单金属到合金，再到复杂的化合物、有机物，超导临界温度也在过去的一个多世纪里逐渐提升。目前发现的超导材料主要包括：各类金属及合金超导体、铜氧化物超导体、重费米子超导体、有机超导体、铁基超导体及其他氧化物超导体等。下图展示了自超导现象问世以来发现的一些典型的超导体及其晶体结构，横轴为发现的年代，纵轴为超导临界温度Tc。寻找能大规模应用的室温超导体是当今超导研究人员的心之所向。超导体的应用解决了输电过程中造成的热损耗，具备着常规金属材料无法企及的性能。由于超导体往往需要在非常低的环境温度中应用（低于其超导临界温度），而低温环境往往需要依赖于液氦或其他设备来维持，这极大地增加了超导材料的应用和维护成本，导致具备如此颠覆性的材料无法在低成本下被大规模应用。因此，寻找具备更高临界温度的超导体是解决超导材料应用的关键，而研发出室温超导体成为了超导领域研发人员的不懈追求。2020年，迪亚斯在实验室将氢、碳和硫元素，在金刚石压腔中通过光化学合成简单的碳质硫氢化物（CSH），并将其超导临界温度提升至15℃，这是人类第一次观察到室温超导体，具有里程碑式的意义。但在金刚石压腔中观察到的超导现象被重重极端条件所限制：1）该现象的环境压力为2670亿帕，相当于标准胎压的100万倍；2）产生超导现象的材料数量极其微量，并无法产生实际的应用。因此，下一个科研目标则是争取找到在较低压力下制造室温超导体的方法，以实现大批量生产。若常温超导能够得到规模化应用，必将带来一场全新的能源革命，人类将步入崭新的超导时代。超导材料发展理论超导材料的发展离不开理论的支撑，1933年，德国物理学家迈斯纳（W．Meissner）和奥林菲尔德（R．Ochsenfeld）共同发现了超导体的另一个重要特征完全抗磁性，即当材料处于超导状态时，将完全排斥磁场，超导体内的磁感应强度为零，人们将这种现象称为迈斯纳效应。因此，判断一种材料是否具备超导电性，必须要看其是否同时具备完全导电性和完全抗磁性。随后，巴丁（J．Bardeen）、库珀（L．V．Cooper）和施里弗（J．R．Schrieffer）在195K年提出了著名的BCS理论，它把超导现象看作一种宏观量子效应，成功地解释了金属或合金超导体的超导电性微观机理。由于电阻是由电子定向运动时与金属晶格发生碰撞而形成的，而在超导临界温度以下，超导体中的电子通过与晶格振动声子的交换来实现无损耗运动，即没有电阻产生，因此能够实现超导电性。至此，超导体的三大基本特性完全导电性、完全抗磁性和宏观量子效应均已奠定。宏观量子效应是超导电子学的基础，众多科学家及学者根据BCS理论作出了一系列的理论延伸：1）1962年，剑桥大学的约瑟夫森（B．Josephson）预言，电子对能够穿过薄绝缘层（量子隧穿），当由薄绝缘层隔开的两块超导体（约瑟夫森结结构）之间有电流通过时，其中并不会出现电压，这一现象被称为约瑟夫森效应。换言之，该现象是一种横跨约瑟夫森结的超电流现象，即超导电流可以在超导体一绝缘体一超导体的结构中产生；2）1968年，美国物理学家麦克米兰根据BCS理论得到超导体临界温度上限的公式，推算出超导体的临界温度一般不太可能超过39K（约-234℃），39K这个温度也被称为麦克米兰极限。该极限温度曾一度被主流学界所接受，直到1980年代高温超导体的蓬勃发展突破了这个理论极限。MRI（磁共振成像仪）MRI是当前超导材料最主要的应用领域，但目前我国人均MRI拥有量与发达国家仍存在较大差距，需求缺口尚存。MRI是一种生物磁自旋成像技术，其对人体不会产生放射性损伤，对肿瘤早期诊断有较高的临床价值，已经广泛运用于全身各部位脏器的疾病诊断中。根据Statista的数据，2019年我国每百万人口MRI拥有量仅约6．4台，远低于日本的55．2台和美国的40．4台，且多个发达国家每百万人口拥有量在10台以上；由于中国人口数量位居世界第一，MRI拥有量缺口较大，国家已明确将磁共振成像设备列为当前优先发展的高技术产业化重点领域之一。MRI设备进口方面，目前我国主要从德国、荷兰等地进口高端MRI设备，进口数量少，但相对货值较高，未来在高端MRI市场的空间广阔。然而在我国对MRI的需求与日俱增的同时，近年来进口MRI的数量却没有呈现同步增长趋势。主要有两方面原因，一方面如GE及Siemens等国际大型医疗设备企业陆续在中国设厂生产，核磁共振设备实现了国内生产；另一方面是国产厂商经过多年经验累积，已开始逐步实现对进口设备的替代。由于国产超导MRI系统具有成本上的优势，我国二、三线城市厂商具有较强的市场竞争能力，预计国产超导MRI市场将进一步扩大，厂商对NbTi超导线材的需求也将稳步增长。中国超导行业业务发展情况业务竞争格局方面，各家公司涉足低温超导产业链领域均不相同。与低温超导产业链相关的领域包括NbTi锭棒和线材、Nb3Ti线材、超导磁体和超导设备。全球各家公司所涉足的领域均有不同，仅有少数几家公司掌握低温超导线材的生产技术，分布在英德日中等国家。在NbTi锭棒领域，国内仅有西部超导掌握相关技术，西部超导NbTi合金铸锭、棒材的工程化制备相关技术获授权专利6项，相关技术成果获国家技术发明二等奖，产品实现了批量化生产且成功应用于ITER项目及MRI超导线材制备任务。在超导线材领域，西部超导采用青铜法和内锡法两种方法生产Nb3Sn线材，其他公司目前还未进行布局。在超导磁体领域，有多家企业拥有制备能力，国内主要有宁波健信、西部超导和潍坊新力，成都奥泰拥有自由的超导磁体工厂，但所生产产品不对外出售。在超导设备领域，目前高端超导MRI市场被GE、PHILIPS、SIEMENS三家国外公司垄断，主流产品以3．0T为主，而SIEMENS已经开始量产7T产品。国内成都奥泰、苏州安科等多家企业目前已实现1．5T、3T超导MRI的商业化生产。超导磁体行业分析表示，超导材料是国家科技创新规划中新材料领域重点发展的前沿材料之一，在能源、医疗、交通、国防工业等领域都有广阔的应用前景，但因为其使用条件苛刻、成本高，技术难度大，因此商业化应用速度较慢。目前全球超导市场以低温超导材料为主。除ITER项目外，超导技术在民用领域应用较为广泛，主要包括MRI（核磁共振）、MCZ（用于半导体单晶硅）、大科学工程（CFETR、重离子加速器）等领域。随着全球超导技术的不断研发，以及超导在各个领域的应用规模不断扩大，全球超导行业已然进入火热年代。其中，超导材料是超导应用的基础，所以是最先产业化的部分，也是未来最具确定性的领域。超导材料根据临界转变温度的不同可以划分为低温超导材料和高温超导体材料。目前全球的超导行业以低温超导为主，2018年其市场规模为58．81亿欧元，市场份额高达95．61%;而高温超导材料的市场规模为2．7亿欧元，市场份额仅为4．39%，但其增长速度较为迅速。从低温超导产业市场参与者来看，与低温超导产业链相关的生产企业来自包括超导锭棒、超导线材、超导磁体和超导设备领域。从全球来看，部分企业专注于单一领域的研发生产，例如美国ATI公司;而另一部分企业则是横跨多个领域，如英国Oxford公司等。目前，全球仅有少数几家企业掌握低温超导线生产技术，主要分布在英国、德国、日本和中国。值得注意的是，中国企业西部超导的业务涉及NbTi锭棒和线材、Nb3Sn线材（包括青铜法和内锡法）和超导磁体的生产，是全球唯一的铌钛（NbTi）锭棒、超导线材、超导磁体的全流程生产企业。未来一段时间，医用超导磁体仍将是市场研究热点，同时也是市场需求热点，需求量将不断增加。超导磁体行业技术研究将主要集中在两个方面：一是运用智能技术等新技术，提高超导磁体产品的科技含量;二是加大医疗领域3．0T及更高端的超导磁体研究，推动医疗行业转型升级。今后，中国超导材料及其应用领域应进一步加强超导材料及其应用装置的制备工艺研究，不断探索更高临界温度的超导体，并加强与超导技术应用密切相关的低温制冷技术和低温系统的研究，以进一步全面提升中国的超导材料及其应用技术的发展水平。超导磁体行业发展概况磁共振成像技术（MagneticResoceImaging，简称MRI）是一种先进的人体无损成像技术，广泛应用于人体各个部位疾病的诊断。该系统的基本原理是在外磁场的作用下，某些绕主磁场（外磁场）进动的自旋质子（包括人体中的氢质子）在短暂的射频电波作用下，进动角增大。当射频电波停止后，质子又会逐渐恢复到原来的状态，并同时释放与激励波频率相同的射频信号。MRI便是利用这一原理，在主磁场中附加一个脉冲梯度磁场，选择性地激发所需位置的人体内原子核，然后接收原子核产生的核磁共振信号，最后在计算机中进行傅立叶变换，对这些信号进行频率编码和相位编码，从而建立一幅完整的磁共振图像。MRI设备主要有五大部分组成，即主磁体、梯度系统、射频系统、谱仪系统和计算机及其他辅助设备，其中主磁体、梯度系统、射频系统为MRI设备的核心硬件，覆盖MRI设备成本达90%以上。主磁体是设备的核心组成部分，提供强大静磁场，保持均匀的磁场强度。一般可分永磁体、常导磁体和超导磁体。永磁体和常导磁体的磁场强度较低，一般在0．5T及以下，且在能源消耗、重量、体积、稳定性和操控性等方面具有难以克服的缺陷。超导磁体通过低温超导原理产生高强磁场，在各方面性能均具有明显优势。梯度系统由梯度线圈、梯度放大器组成，谱仪系统的梯度脉冲发生器产生空间编码和定位所需的信号，经过梯度放大器放大信号，传输到梯度线圈上形成梯度磁场。射频系统主要包括射频发射线圈、射频探测器和射频放大器，射频发射线圈接收到射频放大器放大的脉冲信号，产生射频激励磁场，之后射频探测器采集成像体产生的磁共振信号再传输给谱仪系统。谱仪系统主要是由梯度脉冲发生器和射频脉冲发生器组成。计算机及其他辅助设备包括主控计算机、图像显示、检查床及射频屏蔽、磁屏蔽、UPS电源、冷却系统等，其作用是保证自检查开始到获得图像的过程能井然有序、精确无误地进行。区别于X射线和CT，核磁共振所获得的图像具有清晰、精细、分辨率高、对比度好、信息量大等特点，对软组织层次显示具有显著优势，而且不具有伤害性，在临床上的应用十分广泛。超导磁体行业发展趋势主磁体系统的信噪比与场强成正比，主磁体场强越高，信噪比越高，采集速度更快；梯度场强越高，作用时间越短，梯度切换率提升，成像速度也越快。图像质量和硬件的性能参数（如通道数上升、磁场均匀度提高等）及序列的配合设计有关。70cm级以上的大孔径设计能减少患者在检测时的幽闭恐惧和焦虑；射频探测器的舒适程度也会给患者带来更好的体验，例如GE企业的AIR线圈、企业的云线圈，打破固有传统线圈的重量和硬度限制，实现对患者检测部位的适应性覆盖，获得更佳信噪比，保证图像质量。2019年，Siemens发布新一代智慧型生命感知3TMRI系统，结合最新生物技术、智能传感器技术和计算机人工智能技术，在扫描的同时感知患者各种生理信息，实时传递给MRI系统，全自动一键化完成病变显示和图像分析处理，方便医生阅片和诊断。液氦作为超导MRI中重要的工业材料，为不可再生资源，而且在补充液氦的过程中会造成挥发和损耗。无液氦技术很好的解决了使用液氦降温这个问题，但对于大型超导MRI系统，利用制冷技术而非液氦制冷，是否能有效在全生命周期内控制成本，产品稳定性是否可靠，乃至商业化前景仍需要通过实践验证。高磁场强度的应用场景仍需进一步拓展，而且不同场景的产品设计存在差异，未来发展趋势和方向包括但不限于以下方面：A．质子回旋加速器：与传统放疗相比，质子放疗能实现肿瘤的定点爆破，具有更高精确度，同时免于对正常组织造成伤害，减少副作用和并发症，被认为是世界上最先进、更精准的前沿放射治疗技术。利用质子束对肿瘤进行精准放疗，具有剂量分布好、局部剂量高、旁散射少等优点。超导磁体即超导回旋加速器的核心部件。B．污水处理：利用磁絮凝沉淀工艺，可以将废水中微小悬浮物、胶体、细菌等不溶性污染物与微粒磁粉有效结合，形成更大体积和密度的磁性絮体，在强磁场下可以促使得废水中悬浮颗粒进行磁分离。理论上，处于临界温度以下的超导磁体所产生的磁场强度可以达到10T以上，可以在不添加磁种的情况下轻松实现磁分离。C．磁拉单晶：磁拉单晶技术的物理基础是通过磁场对导电硅流体的热对流形成抑制作用，抑制单晶硅生长过程中杂质和缺陷的产生，晶体完整性、均匀性得到极大改善，可实现高质量大尺寸单晶硅快速生长。采用超导磁体提供5，000Gs稳定磁场，是国际上生产300mm以上大尺寸半导体级单晶硅的最主要方法。D．电子废料处理：从电气和电子设备废料中回收金属可以解决环境和经济问题，在废PCB（印刷电路板）回收中使用超导磁吸分离，可有效提高铁、钴、镍等磁性金属的回收率。产业化的突进根据超导材料的基本特性，其不仅在临界温度下具有零电阻特性，而且在一定的条件下还具备完全抗磁性和宏观量子效应等常规导体所不具备的特性，这些性质使超导体能够实现大电流传输、获得强磁场、实现磁悬浮、检测微弱磁场信号等多种应用，因此其被广泛应用在电子通信、电力能源、交通运输、国防、医疗器械等诸多领域。由于超导材料和技术涉及的领域之，发达国家不惜投入巨资开展前期研究和产业化应用实验。我国在产业政策方面也对超导材料的发展方向做出了相关支持，历年出台的各类新材料行业发展政策推动了超导材料的发展和革新。《中国制造2025》将超导材料列为前沿颠覆性新材料中需重点发展的项目，《十三五国家战略性新兴产业发展规划》指出应积极参与国际热核聚变实验堆计划（ITER），不断完善全超导托卡马克核聚变实验装置等国家重大科技基础设施。由于超导材料的应用不仅能提高电力生产、传输等领域的工作效率，也能对资源的节约起到举足轻重的作用，在这个能源紧缺的时代，超导材料科研技术和生产技术的飞跃势必带来新一轮的能源革命。目前全球超导市场以低温超导为主，国内低温超导材料及应用占超导市场总量的90%以上，高温超导材料仍处于商业化初期。经过数十年的潜心发展，我国已成为国际超导材料和应用技术研发的中坚力量，目前已基本掌握了各种实用化超导材料的制备技术，实现了低温超导材料的商业化生产。低温超导方面，尽管我国在商业化、超导强电和弱电应用技术等方面已基本达到国际先进水平，但由于产学研用结合不紧密、创新链和产业链不完整，导致我国在高端医疗设备、分析仪器、科研装备等超导技术应用方面存在明显差距，相关材料和装备仍然依赖进口。未来低温超导材料产业需着力提升整体研发水平，提高自主创新能力，向世界领先水平迈进。高温超导方面，我国在高温超导材料基础研究和工艺研究方面均已实现一定进展，材料性能已基本满足应用需求，目前正逐渐开始商业化，但和国际水平仍存在着明显的差距，未来高温超导料商业化的核心仍需围绕低成本、大规模批量制备技术。以下章节将对低温超导和高温超导材料各自的产业链、下游应用及发展前景作出梳理和展望。超导磁体行业技术水平特点超导MRI系统现已成为业界公认的高端医学影像设备中皇冠上的明珠，应用基础涉及物理、化学、数学、生物等基础学科的支撑和交叉。MRI设备的发展物理学基础是基于科学家对微观世界和磁场的研究。发展至20世纪中期，MRI被应用于化学物质的鉴定和探索，在医学领域则通过MRI来区分癌变组织和正常组织的不同特性。MRI设备的制造需要技术人员在实操和工艺层面上不断摸索和总结规律，涉及力学、低温、真空、机械、焊接、电子应用等多个工学专业技术，技术实践性强，需要在实操过程中不断试错、总结经验，才能提高制造成功率。在关键的生产流程中，培养熟练的技术工程师来进行生产，例如在射频探测器的调试环节，需要反复调试电感电容的分布，降低寄生参数影响，主要依靠工程师的经验而非统一的标准方法。超导环境要求始终维持在严格的低温4．2K环境（约为-268．8℃），超导线才会达到零电阻特性，电流通过时不会产生热损耗，可以毫无阻力地在导线中流动，产生超强磁场。通常通过液氦和抽真空的方法来建立低温环境，要求磁体中液氦无挥发以及高密闭性和持续制冷，防止失超现象发生，对制冷系统、磁体骨架的搭建、真空浸渍的效果和严密的焊接工艺等提出挑战。1T以上的磁场强度约为10，000高斯，地球的磁场强度约为0．5高斯，1．5T超导磁体场强约为地球磁场的3万倍。在磁体电源的作用下给超导线加以电流，从而建立预订磁场的过程称为励磁。励磁一旦成功，超导线将在不消耗能量的情况下提供强大稳定均匀的磁场。励磁的难度在于高精度大功率的励磁电源以及匀场技术和绕线工艺。强磁场环境中，通电的梯度线圈因受力产生剧烈晃动，形成噪音，是绝大多数超导MRI系统的通病。为减少晃动，在磁体前后两端加入固定装置，尽量抵消掉晃动的力，从而降噪。变化的磁场在其周围的金属体内会产生感应电流，并在金属体内自行闭合，产生涡流，影响磁场均匀性。最常用解决方案就是在主磁体线圈与磁体之间增加一个屏蔽线圈，该线圈的磁场方向和梯度线圈相反，使得合成梯度为零，最终减小涡流情况出现。目前国内的大多数医学影像类超导MRI系统市场份额仍然被GPS占据。国外厂商发展早、技术完备性高、产业链布局广、产品更新迭代快，具备一定的先发优势和客户黏性。国内厂商主要采购核心元部件，依赖上游核心部件厂商，在产业链中的竞争力