超导MRI系统硬件产业市场前瞻

超导MRI系统硬件产业市场前瞻

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。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。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。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。超导磁体行业主要壁垒（一）超导磁体技术壁垒超导MRI设备的设计和生产涉及到理论知识的交叉和复杂的工艺技术，长期积累的研发设计、组件设计和优化、调试和测试的方法是重要的技术门槛。射频探测器工作频率高，各种寄生参数影响大，需要大量调试工作，很难做到完全的流水线式生产，需要反复调试、测试。超导磁体的制作工艺复杂，涉及电磁学、力学、低温、真空、机械、焊接、电子应用等多学科专业技术。针对产品所要求的极端标准和条件，往往需要设计出独特的工艺方案，达到性能要求后还需要进一步优化工艺来减少成本，产品设计中Know-How的掌握是重要的技术壁垒和核心竞争力，涉及射频探测器调试、超导磁体绕线及浸渍、超导接头制作、磁体支撑系统调节装配及真空薄壁件焊接等多项工艺。（二）超导磁体人才壁垒行业产品属于技术密集型产品，对研发设计人员和生产人员的理论基础和操作技能有很高要求，需要经历长时间培训、实践才能独立工作。研发人员培养周期长、成本高，具有显著的人才壁垒，除了要求扎实的理论基础，还需要在实践中不断地摸索、积累经验，才能应对研发过程中各种突发问题，攻克技术难关。生产过程中，高级技术人才所掌握的生产工艺需要在一次次失败中不断完善。生产人员既要保证元器件各项指标的合理、可控，还要对产品进行大量调试。一名技术生产人员从入职、培训、试生产到正式生产，往往需要一年以上的时间，导致行业内熟练工相对稀缺、培训成本高的现状。（三）超导磁体资质壁垒医疗器械由于直接作用于人体，直接关系人的生命健康，一直是世界各国政府重点监控的领域，再加上各国政府出于保护本国企业的考虑，每个国家都有一套市场进入方面的规章制度。对于超导MRI设备，其部件在国外也需按照医疗器械进行管理，受到严格的标准管控；在我国，整机系统需要取得Ⅲ类医疗器械注册证方可生产销售。（四）超导磁体资金壁垒磁体作为MRI设备的核心部件之一，标准的医用影像磁体体积大，投入物料价值高，需要大面积的厂房设备和大量的原材料支撑，在研发过程中存在较高的失败率，企业需要同时保证正常经营及加大研发投入。在销售端，相关产品推广进院的难度大，寻找下游客户需要大量人力物力投入，因此需要企业具备一定的资金实力，从而构建了该行业的资本壁垒。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