梯度线圈行业发展概况

梯度线圈行业发展概况

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。超导磁体行业发展现状及未来前景（一）超导磁体市场现状医学影像设备在医学诊断中起着举足轻重的作用，医生可以通过设备直接对人体内部组织器官结构进行影像信息的分析判断，为病症确诊提供科学客观的依据。实践中存在X线成像、计算机断层扫描（CT）、超声成像、核医学成像、医用内镜和MRI等多种类型，产品种类不断增加，市场规模不断扩大。1、超导磁体市场规模情况2020年全球医学影像市场规模约3，100亿元，市场规模较大且仍然保持稳定增速；中国医学影像行业虽发展较晚，但增速较快，中国医学影像市场规模为537亿元，2015年至2020年的复合增长率为12%。国内医学影像市场中，CT成像占据约为32%的市场份额，X线成像市场份额约为23%、超声成像约为19%，MRI约为17%。从全球市场来看，2020年，MRI系统的市场规模达到93亿美元，预计到2030年将达到145亿美元。中国市场MRI系统销售规模在2020年达到89亿元，预计到2030年将增长至244亿元，年复合增长率超过10%。目前1．5T系统仍然是市场上的主要产品，其保有量大概是3．0T系统的3倍，预计未来3．0T系统将成为市场新的增长点。根据中国医学装备协会的数据，截至2020年末，中国超导MRI系统的保有量为10，713台，每百万人的保有量约为7台。而美国的每百万人保有量约为55台，我国差距较为明显，提升空间巨大。除了人口基数大导致每百万人保有量差异巨大外，单价高是导致超导MRI系统在我国推广速度偏慢的重要原因。因此，通过国产化提升产品性价比，是未来中国市场的发展趋势。2、超导磁体竞争格局全球医学影像市场近70%的份额被GPS占据。在中国市场也不例外，2021年，据医招采公开数据统计，国内共采购1，061台超导MRI系统（含1．5T、3．0T及其他品种），GE、Siemens和Philips分别占据28%、25%和18%的市场份额，销售金额占比分别为31%、29%、20%，国产化率仍有待提升。随着我国加大力度推进高端医疗器械产业的发展，超导MRI系统的国产化趋势日益显著。截至2021年末，共有18家国内企业拥有超导MRI系统的注册证，基本均为1．5T超导MRI系统。（二）超导磁体市场前景2021年安徽省医保局和省卫健委等四部门下发《完善全省乙类大型医疗设备集中采购工作实施方案》，首次提出大型医疗设备带量采购方案，意味着高端医疗器械的集采从我国省级层面拉开序幕，以量换价对于国外厂商构成挑战，有助于国产厂商获得竞争优势。国家财政部及工信部联合发布《政府采购进口产品审核指导标准》（2021年版）通知，明确规定政府机构（事业单位）采购国产医疗器械及仪器的比例要求。137种医疗器械全部要求100%采购国产；12种医疗器械要求75%采购国产；24种医疗器械要求50%采购国产；5种医疗器械要求25%采购国产。其中1．5T、3．0TMRI系统要求审批建议比例为100%采购国产，为国产医学影像设备顺利进院提供便利条件。医学影像在临床应用的领域十分广泛，疾病的早期影像筛查和体检影像检测常规化将会对后续预防和治疗起到决定性的判断作用，临床价值巨大，有望成为大面积推广的检测手段，满足我国居民各种医疗需求。2021年，国家卫健委发布《社会办医疗机构大型医用设备配置证照分离改革实施方案》，意味着全国社会办医疗机构大型设备配置全面放开，利好我国医学影像产业发展。低温超导材料以铌基超导材料（NbTi和Nb3Sn）为主的低温超导材料具有优良的机械加工性能和超导电性，是目前最主要的实用化超导材料。低温超导产业链主要包括上游原材料、中游超导线材、超导磁体及下游超导设备四个环节：1）在原材料环节，低温超导线材对原材料（钛Ti、铌Nb、锡Sn）有很高的要求，且工艺过程复杂，技术条件严格，由于低温超导线材行业对原材料的消耗量并不大，因此上游原材料对超导线材行业的影响并不明显，超导线材行业的发展主要取决于技术进步；2）在超导线材（NbTi、Nb3Sn超导线）生产环节中，NbTi超导线的上游还包括NbTi棒材环节，由于Nb和Ti的熔点相差较大，且NbTi合金中Nb的含量较多，如果控制不好熔炼技术，易产生不熔块，导致后续细芯丝NbTi线在加工中断裂因此NbTi二元合金棒的制备非常困难，为重点技术加工环节；3）超导磁体是由超导线材绕制而成的能产生强磁场的超导线圈，并包括其运行所必要的低温恒温容器。基于超导材料的特性，超导磁体具有场强高、体积小、重量轻等特性。由于超导材料在超导状态下具有零电阻的特性，因此可以以极小的面积通过巨大的电流；4）下游行业主要为各类超导设备，随着磁共振成像仪（MRI）、磁控直拉单晶硅技术（MCZ）、核磁共振谱仪（NMR）、质子加速器、核聚变实验堆等领域的发展，未来低温超导线材的市场空间巨大。超导材料发展综述人们对超导材料的探究得益于低温物理学的发展，而超导材料的诞生则源于人们对金属电阻与温度之间的关系探索。超导，全称超导电性，是二十世纪最重要的科学发现之一，指的是当某些材料在温度降低到某一临界温度（Tc）时电阻突然消失，电流可以在其间无损耗流动的现象，具备这种特性的材料则被称为超导材料或超导体。超导体的诞生要追溯到二十世纪初，人们在气体理论的指导下不断将各种气体液化，创下了一系列的低温记录，荷兰物理学家昂尼斯（H．K．Onnes）在1908年成功液化了地球上最后一种顽固气体—-氦气，并且获得了接近绝对零度的低温：4．2K（约-269℃）。氦作为分子质量最小的稀有气体，是最不活泼的元素之一，也是唯一不能在标准大气压下固化的物质，而液氦的成功获得极大地推进了低温物理学的发展，这也为超导现象的发现埋下了伏笔。1911年，昂尼斯等人用液氦冷却金属汞以研究金属在低温下的电阻行为时发现，汞的电阻并不像预期中随温度降低而逐渐减小，而是在温度降至4．2K左右（Tc=4．2K，等同于-268．98C）时急剧下降，以至完全消失。这也就是超导体的第一个基本特征完全导电性，指当降低至某一温度以下，电阻突然消失的现象。1913年，昂尼斯因液氦的成功制备和超导现象的发现而获得了当年的诺贝尔物理学奖，并首次以超导一词来表达这一现象，寓意为超级导电。自此以后，人们把处于超导状态的导体称为超导材料，其凭借独特的性能和具有潜力的各项应用而持续地吸引着全球各地众多科学家的不断探索。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。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。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。超导磁体行业的周期性区域性和季节性（一）超导磁体周期性医用影像类超导MRI设备属于医院检验科室的刚需。从存量角度，随着技术不断升级，原有设备仍有替代需求；从增量角度，大型高端医疗器械配置许可正在逐渐放量，政府指导文件和规划纲要强调优先使用国产产品，将会推动国产设备被医院采用；特种超导磁体的应用范围更为广泛，包括动物实验、物理研究、半导体产业、污水处理、石油化工等领域，潜在需求量巨大。综上，行业具备较好的行业景气度。（二）超导磁体区域性由于超导MRI设备单价较高，经济发达地区医院配置能力更为充沛，主要的生产厂商也集中在长三角、北京及深圳等地区，产业的集聚效应比较明显。（三）超导磁体季节性大型医用设备行业的终端客户群体一般为医疗机构，医疗机构购买大型医用设备的前置程序较为繁琐，通常在一季度进行预算审批，第二季度和第三季度进行招标和采购，四季度发货验收。因此，设备商及其上游的核心部件供应商的销售具备一定季节性特征。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