梯度线圈行业市场需求与投资规划

梯度线圈行业市场需求与投资规划

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。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。中国超导行业业务发展情况业务竞争格局方面，各家公司涉足低温超导产业链领域均不相同。与低温超导产业链相关的领域包括NbTi锭棒和线材、Nb3Ti线材、超导磁体和超导设备。全球各家公司所涉足的领域均有不同，仅有少数几家公司掌握低温超导线材的生产技术，分布在英德日中等国家。在NbTi锭棒领域，国内仅有西部超导掌握相关技术，西部超导NbTi合金铸锭、棒材的工程化制备相关技术获授权专利6项，相关技术成果获国家技术发明二等奖，产品实现了批量化生产且成功应用于ITER项目及MRI超导线材制备任务。在超导线材领域，西部超导采用青铜法和内锡法两种方法生产Nb3Sn线材，其他公司目前还未进行布局。在超导磁体领域，有多家企业拥有制备能力，国内主要有宁波健信、西部超导和潍坊新力，成都奥泰拥有自由的超导磁体工厂，但所生产产品不对外出售。在超导设备领域，目前高端超导MRI市场被GE、PHILIPS、SIEMENS三家国外公司垄断，主流产品以3．0T为主，而SIEMENS已经开始量产7T产品。国内成都奥泰、苏州安科等多家企业目前已实现1．5T、3T超导MRI的商业化生产。超导磁体行业分析表示，超导材料是国家科技创新规划中新材料领域重点发展的前沿材料之一，在能源、医疗、交通、国防工业等领域都有广阔的应用前景，但因为其使用条件苛刻、成本高，技术难度大，因此商业化应用速度较慢。目前全球超导市场以低温超导材料为主。除ITER项目外，超导技术在民用领域应用较为广泛，主要包括MRI（核磁共振）、MCZ（用于半导体单晶硅）、大科学工程（CFETR、重离子加速器）等领域。随着全球超导技术的不断研发，以及超导在各个领域的应用规模不断扩大，全球超导行业已然进入火热年代。其中，超导材料是超导应用的基础，所以是最先产业化的部分，也是未来最具确定性的领域。超导材料根据临界转变温度的不同可以划分为低温超导材料和高温超导体材料。目前全球的超导行业以低温超导为主，2018年其市场规模为58．81亿欧元，市场份额高达95．61%;而高温超导材料的市场规模为2．7亿欧元，市场份额仅为4．39%，但其增长速度较为迅速。从低温超导产业市场参与者来看，与低温超导产业链相关的生产企业来自包括超导锭棒、超导线材、超导磁体和超导设备领域。从全球来看，部分企业专注于单一领域的研发生产，例如美国ATI公司;而另一部分企业则是横跨多个领域，如英国Oxford公司等。目前，全球仅有少数几家企业掌握低温超导线生产技术，主要分布在英国、德国、日本和中国。值得注意的是，中国企业西部超导的业务涉及NbTi锭棒和线材、Nb3Sn线材（包括青铜法和内锡法）和超导磁体的生产，是全球唯一的铌钛（NbTi）锭棒、超导线材、超导磁体的全流程生产企业。未来一段时间，医用超导磁体仍将是市场研究热点，同时也是市场需求热点，需求量将不断增加。超导磁体行业技术研究将主要集中在两个方面：一是运用智能技术等新技术，提高超导磁体产品的科技含量;二是加大医疗领域3．0T及更高端的超导磁体研究，推动医疗行业转型升级。今后，中国超导材料及其应用领域应进一步加强超导材料及其应用装置的制备工艺研究，不断探索更高临界温度的超导体，并加强与超导技术应用密切相关的低温制冷技术和低温系统的研究，以进一步全面提升中国的超导材料及其应用技术的发展水平。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。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