射頻發(fā)射線圈產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景預(yù)測與投資戰(zhàn)略規(guī)劃

射頻發(fā)射線圈產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景預(yù)測與投資戰(zhàn)略規(guī)劃

MCZ（磁控直拉單晶硅技術(shù)）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)模化量產(chǎn)技術(shù)。MCZ技術(shù)是通過磁場對導(dǎo)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(zhì)和缺陷的產(chǎn)生，從而大幅改善晶體完整性、均勻性，可實現(xiàn)高質(zhì)量大尺寸單晶硅快速生長。其中采用超導(dǎo)磁體提供5000Gs穩(wěn)定磁場的MCZ技術(shù)是目前國際上生300mm以上大尺寸半導(dǎo)體級單晶硅的最主要方法。隨著國內(nèi)半導(dǎo)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(chǎn)和消費國家，其中MCZ產(chǎn)品占總產(chǎn)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(dǎo)材料具有零電阻的特性，采用超導(dǎo)材料制備的超導(dǎo)磁體可以實現(xiàn)無阻載流運行，因此超導(dǎo)磁體和常導(dǎo)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(dǎo)磁體制造技術(shù)并實現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用，以促進(jìn)我國單晶硅行業(yè)的產(chǎn)業(yè)技術(shù)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(fù)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(fù)合增長率為71．56%。由此可見，在近年來半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的驅(qū)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(shù)需求市場也將一并擴(kuò)大。同時，我國正在逐漸減少單晶硅進(jìn)口依賴程度，單晶硅爐產(chǎn)量大幅上升，為單晶硅生產(chǎn)用MCZ磁體奠定了良好的市場基礎(chǔ)，未來市場增量可期。產(chǎn)業(yè)化的突進(jìn)根據(jù)超導(dǎo)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(yīng)等常規(guī)導(dǎo)體所不具備的特性，這些性質(zhì)使超導(dǎo)體能夠?qū)崿F(xiàn)大電流傳輸、獲得強(qiáng)磁場、實現(xiàn)磁懸浮、檢測微弱磁場信號等多種應(yīng)用，因此其被廣泛應(yīng)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(lǐng)域。由于超導(dǎo)材料和技術(shù)涉及的領(lǐng)域之，發(fā)達(dá)國家不惜投入巨資開展前期研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用實驗。我國在產(chǎn)業(yè)政策方面也對超導(dǎo)材料的發(fā)展方向做出了相關(guān)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(dǎo)材料的發(fā)展和革新?！吨袊圃?025》將超導(dǎo)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(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》指出應(yīng)積極參與國際熱核聚變實驗堆計劃（ITER），不斷完善全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置等國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。由于超導(dǎo)材料的應(yīng)用不僅能提高電力生產(chǎn)、傳輸?shù)阮I(lǐng)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(dǎo)材料科研技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)的飛躍勢必帶來新一輪的能源革命。目前全球超導(dǎo)市場以低溫超導(dǎo)為主，國內(nèi)低溫超導(dǎo)材料及應(yīng)用占超導(dǎo)市場總量的90%以上，高溫超導(dǎo)材料仍處于商業(yè)化初期。經(jīng)過數(shù)十年的潛心發(fā)展，我國已成為國際超導(dǎo)材料和應(yīng)用技術(shù)研發(fā)的中堅力量，目前已基本掌握了各種實用化超導(dǎo)材料的制備技術(shù)，實現(xiàn)了低溫超導(dǎo)材料的商業(yè)化生產(chǎn)。低溫超導(dǎo)方面，盡管我國在商業(yè)化、超導(dǎo)強(qiáng)電和弱電應(yīng)用技術(shù)等方面已基本達(dá)到國際先進(jìn)水平，但由于產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合不緊密、創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈不完整，導(dǎo)致我國在高端醫(yī)療設(shè)備、分析儀器、科研裝備等超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用方面存在明顯差距，相關(guān)材料和裝備仍然依賴進(jìn)口。未來低溫超導(dǎo)材料產(chǎn)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(lǐng)先水平邁進(jìn)。高溫超導(dǎo)方面，我國在高溫超導(dǎo)材料基礎(chǔ)研究和工藝研究方面均已實現(xiàn)一定進(jìn)展，材料性能已基本滿足應(yīng)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(dǎo)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(shù)。以下章節(jié)將對低溫超導(dǎo)和高溫超導(dǎo)材料各自的產(chǎn)業(yè)鏈、下游應(yīng)用及發(fā)展前景作出梳理和展望。超導(dǎo)磁體行業(yè)發(fā)展概況磁共振成像技術(shù)（MagneticResoceImaging，簡稱MRI）是一種先進(jìn)的人體無損成像技術(shù)，廣泛應(yīng)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(jìn)動的自旋質(zhì)子（包括人體中的氫質(zhì)子）在短暫的射頻電波作用下，進(jìn)動角增大。當(dāng)射頻電波停止后，質(zhì)子又會逐漸恢復(fù)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(nèi)原子核，然后接收原子核產(chǎn)生的核磁共振信號，最后在計算機(jī)中進(jìn)行傅立葉變換，對這些信號進(jìn)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(shè)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(jī)及其他輔助設(shè)備，其中主磁體、梯度系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)為MRI設(shè)備的核心硬件，覆蓋MRI設(shè)備成本達(dá)90%以上。主磁體是設(shè)備的核心組成部分，提供強(qiáng)大靜磁場，保持均勻的磁場強(qiáng)度。一般可分永磁體、常導(dǎo)磁體和超導(dǎo)磁體。永磁體和常導(dǎo)磁體的磁場強(qiáng)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(dǎo)磁體通過低溫超導(dǎo)原理產(chǎn)生高強(qiáng)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(chǎn)生空間編碼和定位所需的信號，經(jīng)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(chǎn)生射頻激勵磁場，之后射頻探測器采集成像體產(chǎn)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(jī)及其他輔助設(shè)備包括主控計算機(jī)、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(jìn)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(xì)、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(yīng)用十分廣泛。超導(dǎo)體的發(fā)展歷史回顧超導(dǎo)體的發(fā)展歷史，超導(dǎo)研究對象逐步由簡單金屬到合金，再到復(fù)雜的化合物、有機(jī)物，超導(dǎo)臨界溫度也在過去的一個多世紀(jì)里逐漸提升。目前發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)材料主要包括：各類金屬及合金超導(dǎo)體、銅氧化物超導(dǎo)體、重費米子超導(dǎo)體、有機(jī)超導(dǎo)體、鐵基超導(dǎo)體及其他氧化物超導(dǎo)體等。下圖展示了自超導(dǎo)現(xiàn)象問世以來發(fā)現(xiàn)的一些典型的超導(dǎo)體及其晶體結(jié)構(gòu)，橫軸為發(fā)現(xiàn)的年代，縱軸為超導(dǎo)臨界溫度Tc。尋找能大規(guī)模應(yīng)用的室溫超導(dǎo)體是當(dāng)今超導(dǎo)研究人員的心之所向。超導(dǎo)體的應(yīng)用解決了輸電過程中造成的熱損耗，具備著常規(guī)金屬材料無法企及的性能。由于超導(dǎo)體往往需要在非常低的環(huán)境溫度中應(yīng)用（低于其超導(dǎo)臨界溫度），而低溫環(huán)境往往需要依賴于液氦或其他設(shè)備來維持，這極大地增加了超導(dǎo)材料的應(yīng)用和維護(hù)成本，導(dǎo)致具備如此顛覆性的材料無法在低成本下被大規(guī)模應(yīng)用。因此，尋找具備更高臨界溫度的超導(dǎo)體是解決超導(dǎo)材料應(yīng)用的關(guān)鍵，而研發(fā)出室溫超導(dǎo)體成為了超導(dǎo)領(lǐng)域研發(fā)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(xué)合成簡單的碳質(zhì)硫氫化物（CSH），并將其超導(dǎo)臨界溫度提升至15℃，這是人類第一次觀察到室溫超導(dǎo)體，具有里程碑式的意義。但在金剛石壓腔中觀察到的超導(dǎo)現(xiàn)象被重重極端條件所限制：1）該現(xiàn)象的環(huán)境壓力為2670億帕，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)胎壓的100萬倍；2）產(chǎn)生超導(dǎo)現(xiàn)象的材料數(shù)量極其微量，并無法產(chǎn)生實際的應(yīng)用。因此，下一個科研目標(biāo)則是爭取找到在較低壓力下制造室溫超導(dǎo)體的方法，以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。若常溫超導(dǎo)能夠得到規(guī)?；瘧?yīng)用，必將帶來一場全新的能源革命，人類將步入嶄新的超導(dǎo)時代。超導(dǎo)磁體行業(yè)發(fā)展歷程1944年，美國科學(xué)家Rabi發(fā)明了研究氣態(tài)原子核磁性的共振方法，從而獲得當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎，被譽為MRI的理論奠基人。在之后半個世紀(jì)的發(fā)展過程中，總共有5位（組）科學(xué)家因MRI的關(guān)鍵技術(shù)獲得諾貝爾獎，逐漸推動理論與實踐結(jié)合。1973年，紐約州立大學(xué)的RaymondDamadian教授用NMR設(shè)備得到第一幅原始的NMR像；1980年，Raymond制造出了第一臺商業(yè)MRI掃描儀。四年后，美國FDA批準(zhǔn)醫(yī)用MRI設(shè)備用于臨床。醫(yī)用MRI設(shè)備市場在美國迅速發(fā)展，逐漸成為醫(yī)學(xué)影像技術(shù)中不可或缺的重要診療手段，GPS等全球各大知名醫(yī)療器械企業(yè)布局該賽道。超導(dǎo)磁體行業(yè)技術(shù)水平特點超導(dǎo)MRI系統(tǒng)現(xiàn)已成為業(yè)界公認(rèn)的高端醫(yī)學(xué)影像設(shè)備中皇冠上的明珠，應(yīng)用基礎(chǔ)涉及物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、生物等基礎(chǔ)學(xué)科的支撐和交叉。MRI設(shè)備的發(fā)展物理學(xué)基礎(chǔ)是基于科學(xué)家對微觀世界和磁場的研究。發(fā)展至20世紀(jì)中期，MRI被應(yīng)用于化學(xué)物質(zhì)的鑒定和探索，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)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(shè)備的制造需要技術(shù)人員在實操和工藝層面上不斷摸索和總結(jié)規(guī)律，涉及力學(xué)、低溫、真空、機(jī)械、焊接、電子應(yīng)用等多個工學(xué)專業(yè)技術(shù)，技術(shù)實踐性強(qiáng)，需要在實操過程中不斷試錯、總結(jié)經(jīng)驗，才能提高制造成功率。在關(guān)鍵的生產(chǎn)流程中，培養(yǎng)熟練的技術(shù)工程師來進(jìn)行生產(chǎn)，例如在射頻探測器的調(diào)試環(huán)節(jié)，需要反復(fù)調(diào)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(jīng)驗而非統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)方法。超導(dǎo)環(huán)境要求始終維持在嚴(yán)格的低溫4．2K環(huán)境（約為-268．8℃），超導(dǎo)線才會達(dá)到零電阻特性，電流通過時不會產(chǎn)生熱損耗，可以毫無阻力地在導(dǎo)線中流動，產(chǎn)生超強(qiáng)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(yán)密的焊接工藝等提出挑戰(zhàn)。1T以上的磁場強(qiáng)度約為10，000高斯，地球的磁場強(qiáng)度約為0．5高斯，1．5T超導(dǎo)磁體場強(qiáng)約為地球磁場的3萬倍。在磁體電源的作用下給超導(dǎo)線加以電流，從而建立預(yù)訂磁場的過程稱為勵磁。勵磁一旦成功，超導(dǎo)線將在不消耗能量的情況下提供強(qiáng)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(shù)和繞線工藝。強(qiáng)磁場環(huán)境中，通電的梯度線圈因受力產(chǎn)生劇烈晃動，形成噪音，是絕大多數(shù)超導(dǎo)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(nèi)會產(chǎn)生感應(yīng)電流，并在金屬體內(nèi)自行閉合，產(chǎn)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(nèi)的大多數(shù)醫(yī)學(xué)影像類超導(dǎo)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(shù)完備性高、產(chǎn)業(yè)鏈布局廣、產(chǎn)品更新迭代快，具備一定的先發(fā)優(yōu)勢和客戶黏性。國內(nèi)廠商主要采購核心元部件，依賴上游核心部件廠商，在產(chǎn)業(yè)鏈中的競爭力不強(qiáng)，成本控制能力及議價權(quán)受限。在科研領(lǐng)域，超導(dǎo)MRI設(shè)備被國外產(chǎn)品壟斷的現(xiàn)場更為突出，國內(nèi)廠商缺乏自制能力，而且產(chǎn)品定制化要求高，更考驗廠商的設(shè)計能力和服務(wù)質(zhì)量。因為缺乏競爭對手，國外廠商的設(shè)備定價長期較高。國內(nèi)廠商如具備核心部件自制能力，能夠通過自身的技術(shù)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(guān)鍵指標(biāo)，該指標(biāo)同樣適用于邏輯中的科研儀器和設(shè)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(chǎn)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(qiáng)、壁壘較高，行業(yè)內(nèi)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(guān)系，可保證產(chǎn)品訂單量。處在產(chǎn)業(yè)鏈需求端的終端客戶，包括醫(yī)院、高校和科研機(jī)構(gòu)等。和優(yōu)質(zhì)客戶建立并保持合作關(guān)系，有利于在行業(yè)內(nèi)建立市場知名度，有利于拓展新的客戶資源。超導(dǎo)材料發(fā)展理論超導(dǎo)材料的發(fā)展離不開理論的支撐，1933年，德國物理學(xué)家邁斯納（W．Meissner）和奧林菲爾德（R．Ochsenfeld）共同發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的另一個重要特征完全抗磁性，即當(dāng)材料處于超導(dǎo)狀態(tài)時，將完全排斥磁場，超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，人們將這種現(xiàn)象稱為邁斯納效應(yīng)。因此，判斷一種材料是否具備超導(dǎo)電性，必須要看其是否同時具備完全導(dǎo)電性和完全抗磁性。隨后，巴?。↗．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(dǎo)現(xiàn)象看作一種宏觀量子效應(yīng)，成功地解釋了金屬或合金超導(dǎo)體的超導(dǎo)電性微觀機(jī)理。由于電阻是由電子定向運動時與金屬晶格發(fā)生碰撞而形成的，而在超導(dǎo)臨界溫度以下，超導(dǎo)體中的電子通過與晶格振動聲子的交換來實現(xiàn)無損耗運動，即沒有電阻產(chǎn)生，因此能夠?qū)崿F(xiàn)超導(dǎo)電性。至此，超導(dǎo)體的三大基本特性完全導(dǎo)電性、完全抗磁性和宏觀量子效應(yīng)均已奠定。宏觀量子效應(yīng)是超導(dǎo)電子學(xué)的基礎(chǔ)，眾多科學(xué)家及學(xué)者根據(jù)BCS理論作出了一系列的理論延伸：1）1962年，劍橋大學(xué)的約瑟夫森（B．Josephson）預(yù)言，電子對能夠穿過薄絕緣層（量子隧穿），當(dāng)由薄絕緣層隔開的兩塊超導(dǎo)體（約瑟夫森結(jié)結(jié)構(gòu)）之間有電流通過時，其中并不會出現(xiàn)電壓，這一現(xiàn)象被稱為約瑟夫森效應(yīng)。換言之，該現(xiàn)象是一種橫跨約瑟夫森結(jié)的超電流現(xiàn)象，即超導(dǎo)電流可以在超導(dǎo)體一絕緣體一超導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生；2）1968年，美國物理學(xué)家麥克米蘭根據(jù)BCS理論得到超導(dǎo)體臨界溫度上限的公式，推算出超導(dǎo)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(xué)界所接受，直到1980年代高溫超導(dǎo)體的蓬勃發(fā)展突破了這個理論極限。超導(dǎo)磁體行業(yè)的周期性區(qū)域性和季節(jié)性（一）超導(dǎo)磁體周期性醫(yī)用影像類超導(dǎo)MRI設(shè)備屬于醫(yī)院檢驗科室的剛需。從存量角度，隨著技術(shù)不斷升級，原有設(shè)備仍有替代需求；從增量角度，大型高端醫(yī)療器械配置許可正在逐漸放量，政府指導(dǎo)文件和規(guī)劃綱要強(qiáng)調(diào)優(yōu)先使用國產(chǎn)產(chǎn)品，將會推動國產(chǎn)設(shè)備被醫(yī)院采用；特種超導(dǎo)磁體的應(yīng)用范圍更為廣泛，包括動物實驗、物理研究、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、污水處理、石油化工等領(lǐng)域，潛在需求量巨大。綜上，行業(yè)具備較好的行業(yè)景氣度。（二）超導(dǎo)磁體區(qū)域性由于超導(dǎo)MRI設(shè)備單價較高，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)醫(yī)院配置能力更為充沛，主要的生產(chǎn)廠商也集中在長三角、北京及深圳等地區(qū)，產(chǎn)業(yè)的集聚效應(yīng)比較明顯。（三）超導(dǎo)磁體季節(jié)性大型醫(yī)用設(shè)備行業(yè)的終端客戶群體一般