梯度線圈行業(yè)市場前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃

超導磁體行業(yè)主要壁壘（一）超導磁體技術壁壘超導MRI設備的設計和生產涉及到理論知識的交叉和復雜的工藝技術，長期積累的研發(fā)設計、組件設計和優(yōu)化、調試和測試的方法是重要的技術門檻。射頻探測器工作頻率高，各種寄生參數(shù)影響大，需要大量調試工作，很難做到完全的流水線式生產，需要反復調試、測試。超導磁體的制作工藝復雜，涉及電磁學、力學、低溫、真空、機械、焊接、電子應用等多學科專業(yè)技術。針對產品所要求的極端標準和條件，往往需要設計出獨特的工藝方案，達到性能要求后還需要進一步優(yōu)化工藝來減少成本，產品設計中Know-How的掌握是重要的技術壁壘和核心競爭力，涉及射頻探測器調試、超導磁體繞線及浸漬、超導接頭制作、磁體支撐系統(tǒng)調節(jié)裝配及真空薄壁件焊接等多項工藝。（二）超導磁體人才壁壘行業(yè)產品屬于技術密集型產品，對研發(fā)設計人員和生產人員的理論基礎和操作技能有很高要求，需要經歷長時間培訓、實踐才能獨立工作。研發(fā)人員培養(yǎng)周期長、成本高，具有顯著的人才壁壘，除了要求扎實的理論基礎，還需要在實踐中不斷地摸索、積累經驗，才能應對研發(fā)過程中各種突發(fā)問題，攻克技術難關。生產過程中，高級技術人才所掌握的生產工藝需要在一次次失敗中不斷完善。生產人員既要保證元器件各項指標的合理、可控，還要對產品進行大量調試。一名技術生產人員從入職、培訓、試生產到正式生產，往往需要一年以上的時間，導致行業(yè)內熟練工相對稀缺、培訓成本高的現(xiàn)狀。（三）超導磁體資質壁壘醫(yī)療器械由于直接作用于人體，直接關系人的生命健康，一直是世界各國政府重點監(jiān)控的領域，再加上各國政府出于保護本國企業(yè)的考慮，每個國家都有一套市場進入方面的規(guī)章制度。對于超導MRI設備，其部件在國外也需按照醫(yī)療器械進行管理，受到嚴格的標準管控；在我國，整機系統(tǒng)需要取得Ⅲ類醫(yī)療器械注冊證方可生產銷售。（四）超導磁體資金壁壘磁體作為MRI設備的核心部件之一，標準的醫(yī)用影像磁體體積大，投入物料價值高，需要大面積的廠房設備和大量的原材料支撐，在研發(fā)過程中存在較高的失敗率，企業(yè)需要同時保證正常經營及加大研發(fā)投入。在銷售端，相關產品推廣進院的難度大，尋找下游客戶需要大量人力物力投入，因此需要企業(yè)具備一定的資金實力，從而構建了該行業(yè)的資本壁壘。產業(yè)化的突進根據(jù)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(guī)導體所不具備的特性，這些性質使超導體能夠實現(xiàn)大電流傳輸、獲得強磁場、實現(xiàn)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(yī)療器械等諸多領域。由于超導材料和技術涉及的領域之，發(fā)達國家不惜投入巨資開展前期研究和產業(yè)化應用實驗。我國在產業(yè)政策方面也對超導材料的發(fā)展方向做出了相關支持，歷年出臺的各類新材料行業(yè)發(fā)展政策推動了超導材料的發(fā)展和革新?！吨袊圃?025》將超導材料列為前沿顛覆性新材料中需重點發(fā)展的項目，《十三五國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展規(guī)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?shù)阮I域的工作效率，也能對資源的節(jié)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(yè)化初期。經過數(shù)十年的潛心發(fā)展，我國已成為國際超導材料和應用技術研發(fā)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(xiàn)了低溫超導材料的商業(yè)化生產。低溫超導方面，盡管我國在商業(yè)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(chuàng)新鏈和產業(yè)鏈不完整，導致我國在高端醫(yī)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(yè)需著力提升整體研發(fā)水平，提高自主創(chuàng)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(xiàn)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(yè)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(yè)化的核心仍需圍繞低成本、大規(guī)模批量制備技術。以下章節(jié)將對低溫超導和高溫超導材料各自的產業(yè)鏈、下游應用及發(fā)展前景作出梳理和展望。超導磁體行業(yè)發(fā)展趨勢主磁體系統(tǒng)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(shù)（如通道數(shù)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(yè)的AIR線圈、企業(yè)的云線圈，打破固有傳統(tǒng)線圈的重量和硬度限制，實現(xiàn)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(fā)布新一代智慧型生命感知3TMRI系統(tǒng)，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(tǒng)，全自動一鍵化完成病變顯示和圖像分析處理，方便醫(yī)生閱片和診斷。液氦作為超導MRI中重要的工業(yè)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(fā)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(tǒng)，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(wěn)定性是否可靠，乃至商業(yè)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(fā)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(tǒng)放療相比，質子放療能實現(xiàn)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(fā)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(yōu)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(xiàn)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(xiàn)高質量大尺寸單晶硅快速生長。采用超導磁體提供5，000Gs穩(wěn)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(huán)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。加速器以加速器為代表的大科學工程自上世紀80年代以來一直是高技術發(fā)展水平和綜合國力發(fā)展的象征，以超導磁體為核心的加速器系統(tǒng)是相關裝置的核心。高能質子加速器是超導磁體在大科學工程中應用的一個重要的領域，其包括超導直線加速器、超導回旋加速器、超導同步加速器等設備。超導材料是加速器磁體的重要組成部分，超導磁體的應用可以在很小的激磁功率下產生強大的約束磁場，從而大幅縮減加速器的尺寸，降低加速器功率消耗，從而優(yōu)化超導加速器的經濟效益。隨著加速器市場需求的增加，超導線材和超導磁體的市場需求也將變得更為明確。超導材料產業(yè)鏈上游為礦資源，如釔、鋇、鉍、鍶、硼等金屬;中游是超導材料，如YBCO、BSCCO和MgB2等;下游是超導應用產品，如超導電纜、超導限流器、超導濾波、超導儲能以及超導發(fā)電機等。超導材料產業(yè)鏈上游為原材料，如鈮、鈦、釔、鋇、鉍、鍶、硼等金屬材料，中游為超導材料相關公司，如江蘇中天科技、特變電工、西部超導、青島漢纜、北京英納超導等，下游為超導設備應用。超導磁體行業(yè)技術水平特點超導MRI系統(tǒng)現(xiàn)已成為業(yè)界公認的高端醫(yī)學影像設備中皇冠上的明珠，應用基礎涉及物理、化學、數(shù)學、生物等基礎學科的支撐和交叉。MRI設備的發(fā)展物理學基礎是基于科學家對微觀世界和磁場的研究。發(fā)展至20世紀中期，MRI被應用于化學物質的鑒定和探索，在醫(yī)學領域則通過MRI來區(qū)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(guī)律，涉及力學、低溫、真空、機械、焊接、電子應用等多個工學專業(yè)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(yǎng)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(huán)節(jié)，需要反復調試電感電容的分布，降低寄生參數(shù)影響，主要依靠工程師的經驗而非統(tǒng)一的標準方法。超導環(huán)境要求始終維持在嚴格的低溫4．2K環(huán)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(huán)境，要求磁體中液氦無揮發(fā)以及高密閉性和持續(xù)制冷，防止失超現(xiàn)象發(fā)生，對制冷系統(tǒng)、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(zhàn)。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(wěn)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(huán)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(shù)超導MRI系統(tǒng)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(xiàn)。目前國內的大多數(shù)醫(yī)學影像類超導MRI系統(tǒng)市場份額仍然被GPS占據(jù)。國外廠商發(fā)展早、技術完備性高、產業(yè)鏈布局廣、產品更新迭代快，具備一定的先發(fā)優(yōu)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(yè)鏈中的競爭力不強，成本控制能力及議價權受限。在科研領域，超導MRI設備被國外產品壟斷的現(xiàn)場更為突出，國內廠商缺乏自制能力，而且產品定制化要求高，更考驗廠商的設計能力和服務質量。因為缺乏競爭對手，國外廠商的設備定價長期較高。國內廠商如具備核心部件自制能力，能夠通過自身的技術工藝控制成本，從而獲取價格競爭優(yōu)勢。因此，高端醫(yī)療器械的性價比是衡量競爭力的關鍵指標，該指標同樣適用于邏輯中的科研儀器和設備。從需求端來看，該行業(yè)的客戶資源主要分為兩種類型：處在產業(yè)鏈中下游的系統(tǒng)集成商，由于該行業(yè)的科技屬性較強、壁壘較高，行業(yè)內玩家數(shù)量較少，能夠獲得Ⅲ類醫(yī)療器械注冊證的企業(yè)數(shù)量有限，因此和擁有注冊證的系統(tǒng)集成商建立良好穩(wěn)固合作關系，可保證產品訂單量。處在產業(yè)鏈需求端的終端客戶，包括醫(yī)院、高校和科研機構等。和優(yōu)質客戶建立并保持合作關系，有利于在行業(yè)內建立市場知名度，有利于拓展新的客戶資源。超導磁體行業(yè)發(fā)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(tǒng)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(tài)，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(fā)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(tǒng)、射頻系統(tǒng)、譜儀系統(tǒng)和計算機及其他輔助設備，其中主磁體、梯度系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)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(wěn)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(yōu)勢。梯度系統(tǒng)由梯度線圈、梯度放大器組成，譜儀系統(tǒng)的梯度脈沖發(fā)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?shù)教荻染€圈上形成梯度磁場。射頻系統(tǒng)主要包括射頻發(fā)射線圈、射頻探測器和射頻放大器，射頻發(fā)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(tǒng)。譜儀系統(tǒng)主要是由梯度脈沖發(fā)生器和射頻脈沖發(fā)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(tǒng)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(qū)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(yōu)勢，而且不具有傷害性，在臨床上的應用十分廣泛。MCZ（磁控直拉單晶硅技術）單晶硅按晶體生長方法的不同，分為直拉法（CZ）、區(qū)熔法（FZ）兩種，直拉法是目前主要的單晶硅規(guī)?；慨a技術。MCZ技術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，從而大幅改善晶體完整性、均勻性，可實現(xiàn)高質量大尺寸單晶硅快速生長。其中采用超導磁體提供5000Gs穩(wěn)定磁場的MCZ技術是目前國際上生300mm以上大尺寸半導體級單晶硅的最主要方法。隨著國內半導體工業(yè)的迅速發(fā)展，中國已成為全球增長速度最快的單晶硅生產和消費國家，其中MCZ產品占總產量的70%-80%，目前國際上300毫米以上大尺寸單晶硅片已成為主流。由于超導材料具有零電阻的特性，采用超導材料制備的超導磁體可以實現(xiàn)無阻載流運行，因此超導磁體和常導磁體相比，其體積和運行成本均大幅度減小，能夠降低300mm單晶硅制造20%的能耗、提高30%的成品率。我國目前迫切需要發(fā)展?jié)M足300mmMCZ單晶硅制備用超導磁體制造技術并實現(xiàn)規(guī)模應用，以促進我國單晶硅行業(yè)的產業(yè)技術升級。從市場規(guī)模來看，我國單晶硅業(yè)市場規(guī)模由2017年的75．5億元增長至2020年的380．3億元，年均復合增長率為71．6%；從需求端來看，我國單晶硅片消費量由2017年的28．7GW增至2020年為144．4GW，年均復合增長率為71．56%。由此可見，在近年來半導體產業(yè)的驅動下，我國單晶硅市場規(guī)模和需求量在未來也將持續(xù)保持高速增長，MCZ技術需求市場也將一并擴大。同時，我國正在逐漸減少單晶硅進口依賴程度，單晶硅爐產量大幅上升，為單晶硅生產用MCZ磁體奠定了良好的市場基礎，未來市場增量可期。超導體更高的臨界溫度按照超導體的臨界溫度，可以將超導體分為低溫超導和高溫超導材料：Tc<25K的超導材料稱為C溫超導材料，目前已實現(xiàn)商業(yè)化的包括NbTi（鈮鈦，Tc=9．5K）和Nb3Sn（鈮三錫，Tc=18k）。由于NbTi和Nb3Sn具有優(yōu)良的機械加工性能和成本優(yōu)勢，其制備技術與工藝已經相當成熟。目前低溫超導的下游應用主要包括加速器磁體、核聚變工程用超導磁體、核磁共振磁體、通用超導磁體等，基于低溫超導材料的應用裝置一般工作在液氦溫度（約4．2K）。在相當長的時期內，低溫超導材料仍將是最主要的超導產業(yè)支柱性材料；Tc≥25K的超導材料為高溫超導材料，具備實用價值的主要包括鉍系（例如Bi-Sr-Ca-Cu-O，BSCCO，Tc=110K）、釔系（例如Y-Ba-Cu-O，YBCO，Tc=92K）和MgB2超導材料（Tc=39K）、鐵基超導材料等。其中鉍系和釔系高溫超導材料于氧化物陶瓷，在制造工藝上須克服加工脆性、氧含量的精確控制及與基體反應等問題，因此生產成本較高，目前尚處于商業(yè)化初期階段。目前高溫超導的下游終端應用主要包括超導電纜、超導電機、超導變壓器、超導濾器等，基于高溫超導材料的應用裝置一般工作在液氫溫度（約20K）至液氮溫度（約77K）之間。自超導現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)后的75年時間里，超導臨界溫度的提升進程十分緩慢，超導臨界轉變溫度僅僅被提高到23．2K左右，且基本都由單元素金屬和多元合金實現(xiàn)，這段時間內所發(fā)現(xiàn)的超導體均為低溫超導體。直到人們對銅氧化物超導體和鐵基超導體的科研進展實現(xiàn)實質性突破，高溫超導體才得以開啟高速發(fā)展的征程。1986年，瑞士科學家繆勒和柏諾茲在研究氧化物導電陶瓷材料LaBaCuO時發(fā)現(xiàn)其在30