射頻發射線圈行業市場前瞻與投資戰略規劃

超導體的發展歷史回顧超導體的發展歷史，超導研究對象逐步由簡單金屬到合金，再到復雜的化合物、有機物，超導臨界溫度也在過去的一個多世紀里逐漸提升。目前發現的超導材料主要包括：各類金屬及合金超導體、銅氧化物超導體、重費米子超導體、有機超導體、鐵基超導體及其他氧化物超導體等。下圖展示了自超導現象問世以來發現的一些典型的超導體及其晶體結構，橫軸為發現的年代，縱軸為超導臨界溫度Tc。尋找能大規模應用的室溫超導體是當今超導研究人員的心之所向。超導體的應用解決了輸電過程中造成的熱損耗，具備著常規金屬材料無法企及的性能。由于超導體往往需要在非常低的環境溫度中應用（低于其超導臨界溫度），而低溫環境往往需要依賴于液氦或其他設備來維持，這極大地增加了超導材料的應用和維護成本，導致具備如此顛覆性的材料無法在低成本下被大規模應用。因此，尋找具備更高臨界溫度的超導體是解決超導材料應用的關鍵，而研發出室溫超導體成為了超導領域研發人員的不懈追求。2020年，迪亞斯在實驗室將氫、碳和硫元素，在金剛石壓腔中通過光化學合成簡單的碳質硫氫化物（CSH），并將其超導臨界溫度提升至15℃，這是人類第一次觀察到室溫超導體，具有里程碑式的意義。但在金剛石壓腔中觀察到的超導現象被重重極端條件所限制：1）該現象的環境壓力為2670億帕，相當于標準胎壓的100萬倍；2）產生超導現象的材料數量極其微量，并無法產生實際的應用。因此，下一個科研目標則是爭取找到在較低壓力下制造室溫超導體的方法，以實現大批量生產。若常溫超導能夠得到規模化應用，必將帶來一場全新的能源革命，人類將步入嶄新的超導時代。超導材料發展理論超導材料的發展離不開理論的支撐，1933年，德國物理學家邁斯納（W．Meissner）和奧林菲爾德（R．Ochsenfeld）共同發現了超導體的另一個重要特征完全抗磁性，即當材料處于超導狀態時，將完全排斥磁場，超導體內的磁感應強度為零，人們將這種現象稱為邁斯納效應。因此，判斷一種材料是否具備超導電性，必須要看其是否同時具備完全導電性和完全抗磁性。隨后，巴丁（J．Bardeen）、庫珀（L．V．Cooper）和施里弗（J．R．Schrieffer）在195K年提出了著名的BCS理論，它把超導現象看作一種宏觀量子效應，成功地解釋了金屬或合金超導體的超導電性微觀機理。由于電阻是由電子定向運動時與金屬晶格發生碰撞而形成的，而在超導臨界溫度以下，超導體中的電子通過與晶格振動聲子的交換來實現無損耗運動，即沒有電阻產生，因此能夠實現超導電性。至此，超導體的三大基本特性完全導電性、完全抗磁性和宏觀量子效應均已奠定。宏觀量子效應是超導電子學的基礎，眾多科學家及學者根據BCS理論作出了一系列的理論延伸：1）1962年，劍橋大學的約瑟夫森（B．Josephson）預言，電子對能夠穿過薄絕緣層（量子隧穿），當由薄絕緣層隔開的兩塊超導體（約瑟夫森結結構）之間有電流通過時，其中并不會出現電壓，這一現象被稱為約瑟夫森效應。換言之，該現象是一種橫跨約瑟夫森結的超電流現象，即超導電流可以在超導體一絕緣體一超導體的結構中產生；2）1968年，美國物理學家麥克米蘭根據BCS理論得到超導體臨界溫度上限的公式，推算出超導體的臨界溫度一般不太可能超過39K（約-234℃），39K這個溫度也被稱為麥克米蘭極限。該極限溫度曾一度被主流學界所接受，直到1980年代高溫超導體的蓬勃發展突破了這個理論極限。MRI（磁共振成像儀）MRI是當前超導材料最主要的應用領域，但目前我國人均MRI擁有量與發達國家仍存在較大差距，需求缺口尚存。MRI是一種生物磁自旋成像技術，其對人體不會產生放射性損傷，對腫瘤早期診斷有較高的臨床價值，已經廣泛運用于全身各部位臟器的疾病診斷中。根據Statista的數據，2019年我國每百萬人口MRI擁有量僅約6．4臺，遠低于日本的55．2臺和美國的40．4臺，且多個發達國家每百萬人口擁有量在10臺以上；由于中國人口數量位居世界第一，MRI擁有量缺口較大，國家已明確將磁共振成像設備列為當前優先發展的高技術產業化重點領域之一。MRI設備進口方面，目前我國主要從德國、荷蘭等地進口高端MRI設備，進口數量少，但相對貨值較高，未來在高端MRI市場的空間廣闊。然而在我國對MRI的需求與日俱增的同時，近年來進口MRI的數量卻沒有呈現同步增長趨勢。主要有兩方面原因，一方面如GE及Siemens等國際大型醫療設備企業陸續在中國設廠生產，核磁共振設備實現了國內生產；另一方面是國產廠商經過多年經驗累積，已開始逐步實現對進口設備的替代。由于國產超導MRI系統具有成本上的優勢，我國二、三線城市廠商具有較強的市場競爭能力，預計國產超導MRI市場將進一步擴大，廠商對NbTi超導線材的需求也將穩步增長。中國超導行業業務發展情況業務競爭格局方面，各家公司涉足低溫超導產業鏈領域均不相同。與低溫超導產業鏈相關的領域包括NbTi錠棒和線材、Nb3Ti線材、超導磁體和超導設備。全球各家公司所涉足的領域均有不同，僅有少數幾家公司掌握低溫超導線材的生產技術，分布在英德日中等國家。在NbTi錠棒領域，國內僅有西部超導掌握相關技術，西部超導NbTi合金鑄錠、棒材的工程化制備相關技術獲授權專利6項，相關技術成果獲國家技術發明二等獎，產品實現了批量化生產且成功應用于ITER項目及MRI超導線材制備任務。在超導線材領域，西部超導采用青銅法和內錫法兩種方法生產Nb3Sn線材，其他公司目前還未進行布局。在超導磁體領域，有多家企業擁有制備能力，國內主要有寧波健信、西部超導和濰坊新力，成都奧泰擁有自由的超導磁體工廠，但所生產產品不對外出售。在超導設備領域，目前高端超導MRI市場被GE、PHILIPS、SIEMENS三家國外公司壟斷，主流產品以3．0T為主，而SIEMENS已經開始量產7T產品。國內成都奧泰、蘇州安科等多家企業目前已實現1．5T、3T超導MRI的商業化生產。超導磁體行業分析表示，超導材料是國家科技創新規劃中新材料領域重點發展的前沿材料之一，在能源、醫療、交通、國防工業等領域都有廣闊的應用前景，但因為其使用條件苛刻、成本高，技術難度大，因此商業化應用速度較慢。目前全球超導市場以低溫超導材料為主。除ITER項目外，超導技術在民用領域應用較為廣泛，主要包括MRI（核磁共振）、MCZ（用于半導體單晶硅）、大科學工程（CFETR、重離子加速器）等領域。隨著全球超導技術的不斷研發，以及超導在各個領域的應用規模不斷擴大，全球超導行業已然進入火熱年代。其中，超導材料是超導應用的基礎，所以是最先產業化的部分，也是未來最具確定性的領域。超導材料根據臨界轉變溫度的不同可以劃分為低溫超導材料和高溫超導體材料。目前全球的超導行業以低溫超導為主，2018年其市場規模為58．81億歐元，市場份額高達95．61%;而高溫超導材料的市場規模為2．7億歐元，市場份額僅為4．39%，但其增長速度較為迅速。從低溫超導產業市場參與者來看，與低溫超導產業鏈相關的生產企業來自包括超導錠棒、超導線材、超導磁體和超導設備領域。從全球來看，部分企業專注于單一領域的研發生產，例如美國ATI公司;而另一部分企業則是橫跨多個領域，如英國Oxford公司等。目前，全球僅有少數幾家企業掌握低溫超導線生產技術，主要分布在英國、德國、日本和中國。值得注意的是，中國企業西部超導的業務涉及NbTi錠棒和線材、Nb3Sn線材（包括青銅法和內錫法）和超導磁體的生產，是全球唯一的鈮鈦（NbTi）錠棒、超導線材、超導磁體的全流程生產企業。未來一段時間，醫用超導磁體仍將是市場研究熱點，同時也是市場需求熱點，需求量將不斷增加。超導磁體行業技術研究將主要集中在兩個方面：一是運用智能技術等新技術，提高超導磁體產品的科技含量;二是加大醫療領域3．0T及更高端的超導磁體研究，推動醫療行業轉型升級。今后，中國超導材料及其應用領域應進一步加強超導材料及其應用裝置的制備工藝研究，不斷探索更高臨界溫度的超導體，并加強與超導技術應用密切相關的低溫制冷技術和低溫系統的研究，以進一步全面提升中國的超導材料及其應用技術的發展水平。超導磁體行業發展概況磁共振成像技術（MagneticResoceImaging，簡稱MRI）是一種先進的人體無損成像技術，廣泛應用于人體各個部位疾病的診斷。該系統的基本原理是在外磁場的作用下，某些繞主磁場（外磁場）進動的自旋質子（包括人體中的氫質子）在短暫的射頻電波作用下，進動角增大。當射頻電波停止后，質子又會逐漸恢復到原來的狀態，并同時釋放與激勵波頻率相同的射頻信號。MRI便是利用這一原理，在主磁場中附加一個脈沖梯度磁場，選擇性地激發所需位置的人體內原子核，然后接收原子核產生的核磁共振信號，最后在計算機中進行傅立葉變換，對這些信號進行頻率編碼和相位編碼，從而建立一幅完整的磁共振圖像。MRI設備主要有五大部分組成，即主磁體、梯度系統、射頻系統、譜儀系統和計算機及其他輔助設備，其中主磁體、梯度系統、射頻系統為MRI設備的核心硬件，覆蓋MRI設備成本達90%以上。主磁體是設備的核心組成部分，提供強大靜磁場，保持均勻的磁場強度。一般可分永磁體、常導磁體和超導磁體。永磁體和常導磁體的磁場強度較低，一般在0．5T及以下，且在能源消耗、重量、體積、穩定性和操控性等方面具有難以克服的缺陷。超導磁體通過低溫超導原理產生高強磁場，在各方面性能均具有明顯優勢。梯度系統由梯度線圈、梯度放大器組成，譜儀系統的梯度脈沖發生器產生空間編碼和定位所需的信號，經過梯度放大器放大信號，傳輸到梯度線圈上形成梯度磁場。射頻系統主要包括射頻發射線圈、射頻探測器和射頻放大器，射頻發射線圈接收到射頻放大器放大的脈沖信號，產生射頻激勵磁場，之后射頻探測器采集成像體產生的磁共振信號再傳輸給譜儀系統。譜儀系統主要是由梯度脈沖發生器和射頻脈沖發生器組成。計算機及其他輔助設備包括主控計算機、圖像顯示、檢查床及射頻屏蔽、磁屏蔽、UPS電源、冷卻系統等，其作用是保證自檢查開始到獲得圖像的過程能井然有序、精確無誤地進行。區別于X射線和CT，核磁共振所獲得的圖像具有清晰、精細、分辨率高、對比度好、信息量大等特點，對軟組織層次顯示具有顯著優勢，而且不具有傷害性，在臨床上的應用十分廣泛。超導磁體行業發展趨勢主磁體系統的信噪比與場強成正比，主磁體場強越高，信噪比越高，采集速度更快；梯度場強越高，作用時間越短，梯度切換率提升，成像速度也越快。圖像質量和硬件的性能參數（如通道數上升、磁場均勻度提高等）及序列的配合設計有關。70cm級以上的大孔徑設計能減少患者在檢測時的幽閉恐懼和焦慮；射頻探測器的舒適程度也會給患者帶來更好的體驗，例如GE企業的AIR線圈、企業的云線圈，打破固有傳統線圈的重量和硬度限制，實現對患者檢測部位的適應性覆蓋，獲得更佳信噪比，保證圖像質量。2019年，Siemens發布新一代智慧型生命感知3TMRI系統，結合最新生物技術、智能傳感器技術和計算機人工智能技術，在掃描的同時感知患者各種生理信息，實時傳遞給MRI系統，全自動一鍵化完成病變顯示和圖像分析處理，方便醫生閱片和診斷。液氦作為超導MRI中重要的工業材料，為不可再生資源，而且在補充液氦的過程中會造成揮發和損耗。無液氦技術很好的解決了使用液氦降溫這個問題，但對于大型超導MRI系統，利用制冷技術而非液氦制冷，是否能有效在全生命周期內控制成本，產品穩定性是否可靠，乃至商業化前景仍需要通過實踐驗證。高磁場強度的應用場景仍需進一步拓展，而且不同場景的產品設計存在差異，未來發展趨勢和方向包括但不限于以下方面：A．質子回旋加速器：與傳統放療相比，質子放療能實現腫瘤的定點爆破，具有更高精確度，同時免于對正常組織造成傷害，減少副作用和并發癥，被認為是世界上最先進、更精準的前沿放射治療技術。利用質子束對腫瘤進行精準放療，具有劑量分布好、局部劑量高、旁散射少等優點。超導磁體即超導回旋加速器的核心部件。B．污水處理：利用磁絮凝沉淀工藝，可以將廢水中微小懸浮物、膠體、細菌等不溶性污染物與微粒磁粉有效結合，形成更大體積和密度的磁性絮體，在強磁場下可以促使得廢水中懸浮顆粒進行磁分離。理論上，處于臨界溫度以下的超導磁體所產生的磁場強度可以達到10T以上，可以在不添加磁種的情況下輕松實現磁分離。C．磁拉單晶：磁拉單晶技術的物理基礎是通過磁場對導電硅流體的熱對流形成抑制作用，抑制單晶硅生長過程中雜質和缺陷的產生，晶體完整性、均勻性得到極大改善，可實現高質量大尺寸單晶硅快速生長。采用超導磁體提供5，000Gs穩定磁場，是國際上生產300mm以上大尺寸半導體級單晶硅的最主要方法。D．電子廢料處理：從電氣和電子設備廢料中回收金屬可以解決環境和經濟問題，在廢PCB（印刷電路板）回收中使用超導磁吸分離，可有效提高鐵、鈷、鎳等磁性金屬的回收率。產業化的突進根據超導材料的基本特性，其不僅在臨界溫度下具有零電阻特性，而且在一定的條件下還具備完全抗磁性和宏觀量子效應等常規導體所不具備的特性，這些性質使超導體能夠實現大電流傳輸、獲得強磁場、實現磁懸浮、檢測微弱磁場信號等多種應用，因此其被廣泛應用在電子通信、電力能源、交通運輸、國防、醫療器械等諸多領域。由于超導材料和技術涉及的領域之，發達國家不惜投入巨資開展前期研究和產業化應用實驗。我國在產業政策方面也對超導材料的發展方向做出了相關支持，歷年出臺的各類新材料行業發展政策推動了超導材料的發展和革新。《中國制造2025》將超導材料列為前沿顛覆性新材料中需重點發展的項目，《十三五國家戰略性新興產業發展規劃》指出應積極參與國際熱核聚變實驗堆計劃（ITER），不斷完善全超導托卡馬克核聚變實驗裝置等國家重大科技基礎設施。由于超導材料的應用不僅能提高電力生產、傳輸等領域的工作效率，也能對資源的節約起到舉足輕重的作用，在這個能源緊缺的時代，超導材料科研技術和生產技術的飛躍勢必帶來新一輪的能源革命。目前全球超導市場以低溫超導為主，國內低溫超導材料及應用占超導市場總量的90%以上，高溫超導材料仍處于商業化初期。經過數十年的潛心發展，我國已成為國際超導材料和應用技術研發的中堅力量，目前已基本掌握了各種實用化超導材料的制備技術，實現了低溫超導材料的商業化生產。低溫超導方面，盡管我國在商業化、超導強電和弱電應用技術等方面已基本達到國際先進水平，但由于產學研用結合不緊密、創新鏈和產業鏈不完整，導致我國在高端醫療設備、分析儀器、科研裝備等超導技術應用方面存在明顯差距，相關材料和裝備仍然依賴進口。未來低溫超導材料產業需著力提升整體研發水平，提高自主創新能力，向世界領先水平邁進。高溫超導方面，我國在高溫超導材料基礎研究和工藝研究方面均已實現一定進展，材料性能已基本滿足應用需求，目前正逐漸開始商業化，但和國際水平仍存在著明顯的差距，未來高溫超導料商業化的核心仍需圍繞低成本、大規模批量制備技術。以下章節將對低溫超導和高溫超導材料各自的產業鏈、下游應用及發展前景作出梳理和展望。超導磁體行業技術水平特點超導MRI系統現已成為業界公認的高端醫學影像設備中皇冠上的明珠，應用基礎涉及物理、化學、數學、生物等基礎學科的支撐和交叉。MRI設備的發展物理學基礎是基于科學家對微觀世界和磁場的研究。發展至20世紀中期，MRI被應用于化學物質的鑒定和探索，在醫學領域則通過MRI來區分癌變組織和正常組織的不同特性。MRI設備的制造需要技術人員在實操和工藝層面上不斷摸索和總結規律，涉及力學、低溫、真空、機械、焊接、電子應用等多個工學專業技術，技術實踐性強，需要在實操過程中不斷試錯、總結經驗，才能提高制造成功率。在關鍵的生產流程中，培養熟練的技術工程師來進行生產，例如在射頻探測器的調試環節，需要反復調試電感電容的分布，降低寄生參數影響，主要依靠工程師的經驗而非統一的標準方法。超導環境要求始終維持在嚴格的低溫4．2K環境（約為-268．8℃），超導線才會達到零電阻特性，電流通過時不會產生熱損耗，可以毫無阻力地在導線中流動，產生超強磁場。通常通過液氦和抽真空的方法來建立低溫環境，要求磁體中液氦無揮發以及高密閉性和持續制冷，防止失超現象發生，對制冷系統、磁體骨架的搭建、真空浸漬的效果和嚴密的焊接工藝等提出挑戰。1T以上的磁場強度約為10，000高斯，地球的磁場強度約為0．5高斯，1．5T超導磁體場強約為地球磁場的3萬倍。在磁體電源的作用下給超導線加以電流，從而建立預訂磁場的過程稱為勵磁。勵磁一旦成功，超導線將在不消耗能量的情況下提供強大穩定均勻的磁場。勵磁的難度在于高精度大功率的勵磁電源以及勻場技術和繞線工藝。強磁場環境中，通電的梯度線圈因受力產生劇烈晃動，形成噪音，是絕大多數超導MRI系統的通病。為減少晃動，在磁體前后兩端加入固定裝置，盡量抵消掉晃動的力，從而降噪。變化的磁場在其周圍的金屬體內會產生感應電流，并在金屬體內自行閉合，產生渦流，影響磁場均勻性。最常用解決方案就是在主磁體線圈與磁體之間增加一個屏蔽線圈，該線圈的磁場方向和梯度線圈相反，使得合成梯度為零，最終減小渦流情況出現。目前國內的大多數醫學影像類超導MRI系統市場份額仍然被GPS占據。國外廠商發展早、技術完備性高、產業鏈布局廣、產品更新迭代快，具備一定的先發優勢和客戶黏性。國內廠商主要采購核心元部件，依賴上游核心部件廠商，在產業鏈中的競爭力