括射频探测器行业前景

括射频探测器行业前景

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不强，成本控制能力及议价权受限。在科研领域，超导MRI设备被国外产品垄断的现场更为突出，国内厂商缺乏自制能力，而且产品定制化要求高，更考验厂商的设计能力和服务质量。因为缺乏竞争对手，国外厂商的设备定价长期较高。国内厂商如具备核心部件自制能力，能够通过自身的技术工艺控制成本，从而获取价格竞争优势。因此，高端医疗器械的性价比是衡量竞争力的关键指标，该指标同样适用于逻辑中的科研仪器和设备。从需求端来看，该行业的客户资源主要分为两种类型：处在产业链中下游的系统集成商，由于该行业的科技属性较强、壁垒较高，行业内玩家数量较少，能够获得Ⅲ类医疗器械注册证的企业数量有限，因此和拥有注册证的系统集成商建立良好稳固合作关系，可保证产品订单量。处在产业链需求端的终端客户，包括医院、高校和科研机构等。和优质客户建立并保持合作关系，有利于在行业内建立市场知名度，有利于拓展新的客户资源。加速器以加速器为代表的大科学工程自上世纪80年代以来一直是高技术发展水平和综合国力发展的象征，以超导磁体为核心的加速器系统是相关装置的核心。高能质子加速器是超导磁体在大科学工程中应用的一个重要的领域，其包括超导直线加速器、超导回旋加速器、超导同步加速器等设备。超导材料是加速器磁体的重要组成部分，超导磁体的应用可以在很小的激磁功率下产生强大的约束磁场，从而大幅缩减加速器的尺寸，降低加速器功率消耗，从而优化超导加速器的经济效益。随着加速器市场需求的增加，超导线材和超导磁体的市场需求也将变得更为明确。超导材料产业链上游为矿资源，如钇、钡、铋、锶、硼等金属;中游是超导材料，如YBCO、BSCCO和MgB2等;下游是超导应用产品，如超导电缆、超导限流器、超导滤波、超导储能以及超导发电机等。超导材料产业链上游为原材料，如铌、钛、钇、钡、铋、锶、硼等金属材料，中游为超导材料相关公司，如江苏中天科技、特变电工、西部超导、青岛汉缆、北京英纳超导等，下游为超导设备应用。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。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。超导磁体行业发展历程1944年，美国科学家Rabi发明了研究气态原子核磁性的共振方法，从而获得当年的诺贝尔物理学奖，被誉为MRI的理论奠基人。在之后半个世纪的发展过程中，总共有5位（组）科学家因MRI的关键技术获得诺贝尔奖，逐渐推动理论与实践结合。1973年，纽约州立大学的RaymondDamadian教授用NMR设备得到第一幅原始的NMR像；1980年，Raymond制造出了第一台商业MRI扫描仪。四年后，美国FDA批准医用MRI设备用于临床。医用MRI设备市场在美国迅速发展，逐渐成为医学影像技术中不可或缺的重要诊疗手段，GPS等全球各大知名医疗器械企业布局该赛道。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。MCZ（磁控直拉单晶硅技术）单晶硅按晶体生长方法的不同，分为直拉法（CZ）、区熔法（FZ）两种，直拉法是目前主要的单晶硅规模化量产技术。MCZ技术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，从而大幅改善晶体完整性、均匀性，可实现高质量大尺寸单晶硅快速生长。其中采用超导磁体提供5000Gs稳定磁场的MCZ技术是目前国际上生300mm以上大尺寸半导体级单晶硅的最主要方法。随着国内半导体工业的迅速发展，中国已成为全球增长速度最快的单晶硅生产和消费国家，其中MCZ产品占总产量的70%-80%，目前国际上300毫米以上大尺寸单晶硅片已成为主流。由于超导材料具有零电阻的特性，采用超导材料制备的超导磁体可以实现无阻载流运行，因此超导磁体和常导磁体相比，其体积和运行成本均大幅度减小，能够降低300mm单晶硅制造20%的能耗、提高30%的成品率。我国目前迫切需要发展满足300mmMCZ单晶硅制备用超导磁体制造技术并实现规模应用，以促进我国单晶硅行业的产业技术升级。从市场规模来看，我国单晶硅业市场规模由2017年的75．5亿元增长至2020年的380．3亿元，年均复合增长率为71．6%；从需求端来看，我国单晶硅片消费量由2017年的28．7GW增至2020年为144．4GW，年均复合增长率为71．56%。由此可见，在近年来半导体产业的驱动下，我国单晶硅市场规模和需求量在未来也将持续保持高速增长，MCZ技术需求市场也将一并扩大。同时，我国正在逐渐减少单晶硅进口依赖程度，单晶硅炉产量大幅上升，为单晶硅生产用MCZ磁体奠定了良好的市场基础，未来市场增量可期。超导体更高的临界温度按照超导体的临界温度，可以将超导体分为低温超导和高温超导材料：Tc<25K的超导材料称为C温超导材料，目前已实现商业化的包括NbTi（铌钛，Tc=9．5K）和Nb3Sn（铌三锡，Tc=18k）。由于NbTi和Nb3Sn具有优良的机械加工性能和成本优势，其制备技术与工艺已经相当成熟。目前低温超导的下游应用主要包括加速器磁体、核聚变工程用超导磁体、核磁共振磁体、通用超导磁体等，基于低温超导材料的应用装置一般工作在液氦温度（约4．2K）。在相当长的时期内，低温超导材料仍将是最主要的超导产业支柱性材料；Tc≥25K的超导材料为高温超导材料，具备实用价值的主要包括铋系（例如Bi-Sr-Ca-Cu-O，BSCCO，Tc=110K）、钇系（例如Y-Ba-Cu-O，YBCO，Tc=92K）和MgB2超导材料（Tc=39K）、铁基超导材料等。其中铋系和钇系高温超导材料于氧化物陶瓷，在制造工艺上须克服加工脆性、氧含量的精确控制及与基体反应等