超導磁體行業(yè)市場突圍戰(zhàn)略研究

超導磁體行業(yè)市場突圍戰(zhàn)略研究

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(jīng)驗，才能提高制造成功率。在關鍵的生產(chǎn)流程中，培養(yǎng)熟練的技術工程師來進行生產(chǎn)，例如在射頻探測器的調(diào)試環(huán)節(jié)，需要反復調(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(chǎn)生熱損耗，可以毫無阻力地在導線中流動，產(chǎn)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(chǎn)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(nèi)會產(chǎn)生感應電流，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(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，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(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(nèi)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(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、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(nèi)建立市場知名度，有利于拓展新的客戶資源。超導材料發(fā)展綜述人們對超導材料的探究得益于低溫物理學的發(fā)展，而超導材料的誕生則源于人們對金屬電阻與溫度之間的關系探索。超導，全稱超導電性，是二十世紀最重要的科學發(fā)現(xiàn)之一，指的是當某些材料在溫度降低到某一臨界溫度（Tc）時電阻突然消失，電流可以在其間無損耗流動的現(xiàn)象，具備這種特性的材料則被稱為超導材料或超導體。超導體的誕生要追溯到二十世紀初，人們在氣體理論的指導下不斷將各種氣體液化，創(chuàng)下了一系列的低溫記錄，荷蘭物理學家昂尼斯（H．K．Onnes）在1908年成功液化了地球上最后一種頑固氣體—-氦氣，并且獲得了接近絕對零度的低溫：4．2K（約-269℃）。氦作為分子質量最小的稀有氣體，是最不活潑的元素之一，也是唯一不能在標準大氣壓下固化的物質，而液氦的成功獲得極大地推進了低溫物理學的發(fā)展，這也為超導現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)埋下了伏筆。1911年，昂尼斯等人用液氦冷卻金屬汞以研究金屬在低溫下的電阻行為時發(fā)現(xiàn)，汞的電阻并不像預期中隨溫度降低而逐漸減小，而是在溫度降至4．2K左右（Tc=4．2K，等同于-268．98C）時急劇下降，以至完全消失。這也就是超導體的第一個基本特征完全導電性，指當降低至某一溫度以下，電阻突然消失的現(xiàn)象。1913年，昂尼斯因液氦的成功制備和超導現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)而獲得了當年的諾貝爾物理學獎，并首次以超導一詞來表達這一現(xiàn)象，寓意為超級導電。自此以后，人們把處于超導狀態(tài)的導體稱為超導材料，其憑借獨特的性能和具有潛力的各項應用而持續(xù)地吸引著全球各地眾多科學家的不斷探索。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(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(chǎn)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(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。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(chǎn)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(diào)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(diào)試工作，很難做到完全的流水線式生產(chǎn)，需要反復調(diào)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(chǎn)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(chǎn)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(diào)試、超導磁體繞線及浸漬、超導接頭制作、磁體支撐系統(tǒng)調(diào)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(chǎn)品屬于技術密集型產(chǎn)品，對研發(fā)設計人員和生產(chǎn)人員的理論基礎和操作技能有很高要求，需要經(jīng)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(jīng)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(chǎn)過程中，高級技術人才所掌握的生產(chǎn)工藝需要在一次次失敗中不斷完善。生產(chǎn)人員既要保證元器件各項指標的合理、可控，還要對產(chǎn)品進行大量調(diào)試。一名技術生產(chǎn)人員從入職、培訓、試生產(chǎn)到正式生產(chǎn)，往往需要一年以上的時間，導致行業(yè)內(nèi)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(chǎn)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(jīng)營及加大研發(fā)投入。在銷售端，相關產(chǎn)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。超導材料發(fā)展理論超導材料的發(fā)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(fā)現(xiàn)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(tài)時，將完全排斥磁場，超導體內(nèi)的磁感應強度為零，人們將這種現(xiàn)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?。↗．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(xiàn)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(fā)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(xiàn)無損耗運動，即沒有電阻產(chǎn)生，因此能夠實現(xiàn)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(jù)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(xiàn)電壓，這一現(xiàn)象被稱為約瑟夫森效應。換言之，該現(xiàn)象是一種橫跨約瑟夫森結的超電流現(xiàn)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(chǎn)生；2）1968年，美國物理學家麥克米蘭根據(jù)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(fā)展突破了這個理論極限。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(nèi)控制成本，產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(jīng)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(chǎn)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(jīng)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(chǎn)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(chǎn)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