超導MRI系統(tǒng)硬件行業(yè)市場前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃

低溫超導材料以鈮基超導材料（NbTi和Nb3Sn）為主的低溫超導材料具有優(yōu)良的機械加工性能和超導電性，是目前最主要的實用化超導材料。低溫超導產(chǎn)業(yè)鏈主要包括上游原材料、中游超導線材、超導磁體及下游超導設備四個環(huán)節(jié)：1）在原材料環(huán)節(jié)，低溫超導線材對原材料（鈦Ti、鈮Nb、錫Sn）有很高的要求，且工藝過程復雜，技術(shù)條件嚴格，由于低溫超導線材行業(yè)對原材料的消耗量并不大，因此上游原材料對超導線材行業(yè)的影響并不明顯，超導線材行業(yè)的發(fā)展主要取決于技術(shù)進步；2）在超導線材（NbTi、Nb3Sn超導線）生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，NbTi超導線的上游還包括NbTi棒材環(huán)節(jié)，由于Nb和Ti的熔點相差較大，且NbTi合金中Nb的含量較多，如果控制不好熔煉技術(shù)，易產(chǎn)生不熔塊，導致后續(xù)細芯絲NbTi線在加工中斷裂因此NbTi二元合金棒的制備非常困難，為重點技術(shù)加工環(huán)節(jié)；3）超導磁體是由超導線材繞制而成的能產(chǎn)生強磁場的超導線圈，并包括其運行所必要的低溫恒溫容器?；诔瑢Р牧系奶匦?，超導磁體具有場強高、體積小、重量輕等特性。由于超導材料在超導狀態(tài)下具有零電阻的特性，因此可以以極小的面積通過巨大的電流；4）下游行業(yè)主要為各類超導設備，隨著磁共振成像儀（MRI）、磁控直拉單晶硅技術(shù)（MCZ）、核磁共振譜儀（NMR）、質(zhì)子加速器、核聚變實驗堆等領域的發(fā)展，未來低溫超導線材的市場空間巨大。產(chǎn)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(zhì)使超導體能夠?qū)崿F(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(shù)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(chǎn)業(yè)化應用實驗。我國在產(chǎn)業(yè)政策方面也對超導材料的發(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(chǎn)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(chǎn)、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(shù)和生產(chǎn)技術(shù)的飛躍勢必帶來新一輪的能源革命。目前全球超導市場以低溫超導為主，國內(nèi)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(jīng)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(shù)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(shù)，實現(xiàn)了低溫超導材料的商業(yè)化生產(chǎn)。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(shù)等方面已基本達到國際先進水平，但由于產(chǎn)學研用結(jié)合不緊密、創(chuàng)新鏈和產(chǎn)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(shù)應用方面存在明顯差距，相關(guān)材料和裝備仍然依賴進口。未來低溫超導材料產(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(shù)。以下章節(jié)將對低溫超導和高溫超導材料各自的產(chǎn)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(zhì)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(guān)。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(zhì)量。2019年，Siemens發(fā)布新一代智慧型生命感知3TMRI系統(tǒng)，結(jié)合最新生物技術(shù)、智能傳感器技術(shù)和計算機人工智能技術(shù)，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(shù)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(shù)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(zhì)子回旋加速器：與傳統(tǒng)放療相比，質(zhì)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(shù)。利用質(zhì)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(jié)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(shù)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(zhì)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(zhì)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。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?qū)崿F(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(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。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，即超導電流可以在超導體一絕緣體一超導體的結(jié)構(gòu)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。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(shù)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(guān)裝置的核心。高能質(zhì)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。超導材料產(chǎn)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(guān)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(shù)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(zhì)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(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、低溫、真空、機械、焊接、電子應用等多個工學專業(yè)技術(shù)，技術(shù)實踐性強，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(shù)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(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，成本控制能力及議價權(quán)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(zhì)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(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，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(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。超導磁體行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及未來前景（一）超導磁體市場現(xiàn)狀醫(yī)學影像設備在醫(yī)學診斷中起著舉足輕重的作用，醫(yī)生可以通過設備直接對人體內(nèi)部組織器官結(jié)構(gòu)進行影像信息的分析判斷，為病癥確診提供科學客觀的依據(jù)。實踐中存在X線成像、計算機斷層掃描（CT）、超聲成像、核醫(yī)學成像、醫(yī)用內(nèi)鏡和MRI等多種類型，產(chǎn)品種類不斷增加，市場規(guī)模不斷擴大。1、超導磁體市場規(guī)模情況2020年全球醫(yī)學影像市場規(guī)模約3，100億元，市場規(guī)模較大且仍然保持穩(wěn)定增速；中國醫(yī)學影像行業(yè)雖發(fā)展較晚，但增速較快，中國醫(yī)學影像市場規(guī)模為537億元，2015年至2020年的復合增長率為12%。國內(nèi)醫(yī)學影像市場中，CT成像占據(jù)約為32%的市場份額，X線成像市場份額約為23%、超聲成像約為19%，MRI約為17%。從全球市場來看，2020年，MRI系統(tǒng)的市場規(guī)模達到93億美元，預計到2030年將達到145億美元。中國市場MRI系統(tǒng)銷售規(guī)模在2020年達到89億元，預計到2030年將增長至244億元，年復合增長率超過10%。目前1．5T系統(tǒng)仍然是市場上的主要產(chǎn)品，其保有量大概是3．0T系統(tǒng)的3倍，預計未來3．0T系統(tǒng)將成為市場新的增長點。根據(jù)中國醫(yī)學裝備協(xié)會的數(shù)據(jù)，截至2020年末，中國超導MRI系統(tǒng)的保有量為10，713臺，每百萬人的保有量約為7臺。而美國的每百萬人保有量約為55臺，我國差距較為明顯，提升空間巨大。除了人口基數(shù)大導致每百萬人保有量差異巨大外，單價高是導致超導MRI系統(tǒng)在我國推廣速度偏慢的重要原因。因此，通過國產(chǎn)化提升產(chǎn)品性價比，是未來中國市場的發(fā)展趨勢。2、超導磁體競爭格局全球醫(yī)學影像市場近70%的份額被GPS占據(jù)。在中國市場也不例外，2021年，據(jù)醫(yī)招采公開數(shù)據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)共采購1，061臺超導MRI系統(tǒng)（含1．5T、3．0T及其他品種），GE、Siemens和Philips分別占據(jù)28%、25%和18%的市場份額，銷售金額占比分別為31%、29%、20%，國產(chǎn)化率仍有待提升。隨著我國加大力度推進高端醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，超導MRI系統(tǒng)的國產(chǎn)化趨勢日益顯著。截至2021年末，共有18家國內(nèi)企業(yè)擁有超導MRI系統(tǒng)的注冊證，基本均為1．5T超導MRI系統(tǒng)。（二）超導磁體市場前景2021年安徽省醫(yī)保局和省衛(wèi)健委等四部門下發(fā)《完善全省乙類大型醫(yī)療設備集中采購工作實施方案》，首次提出大型醫(yī)療設備帶量采購方案，意味著高端醫(yī)療器械的集采從我國省級層面拉開序幕，以量換價對于國外廠商構(gòu)成挑戰(zhàn)，有助于國產(chǎn)廠商獲得競爭優(yōu)勢。國家財政部及工信部聯(lián)合發(fā)布《政府采購進口產(chǎn)品審核指導標準》（2021年版）通知，明確規(guī)定政府機構(gòu)（事業(yè)單位）采購國產(chǎn)醫(yī)療器械及儀器的比例要求。137種醫(yī)療器械全部要求100%采購國產(chǎn)；12種醫(yī)療器械要求75%采購國產(chǎn)；24種醫(yī)療器械要求50%采購國產(chǎn)；5種醫(yī)療器械要求25%采購國產(chǎn)。其中1．5T、3．0TMRI系統(tǒng)要求審批建議比例為100%采購國產(chǎn)，為國產(chǎn)醫(yī)學影像設備順利進院提供便利條件。醫(yī)學影像在臨床應用的領域十分廣泛，疾病的早期影像篩查和體檢影像檢測常規(guī)化將會對后續(xù)預防和治療起到?jīng)Q定性的判斷作用，臨床價值巨大，有望成為大面積推廣的檢測手段，滿足我國居民各種醫(yī)療需求。2021年，國家衛(wèi)健委發(fā)布《社會辦醫(yī)療機構(gòu)大型醫(yī)用設備配置證照分離改革實施方案》，意味著全國社會辦醫(yī)療機構(gòu)大型設備配置全面放開，利好我國醫(yī)學影像產(chǎn)業(yè)發(fā)展。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(fā)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(shù)，其對人體不會產(chǎn)生放射性損傷，對腫瘤早期診斷有較高的臨床價值，已經(jīng)廣泛運用于全身各部位臟器的疾病診斷中。根據(jù)Statista的數(shù)據(jù)，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(fā)達國家每百萬人口擁有量在10臺以上；由于中國人口數(shù)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(yōu)先發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)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(shù)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(shù)量卻沒有呈現(xiàn)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(yī)療設備企業(yè)陸續(xù)在中國設廠生產(chǎn)，核磁共振設備實現(xiàn)了國內(nèi)生產(chǎn)；另一方面是國產(chǎn)廠商經(jīng)過多年經(jīng)驗累積，已開始逐步實現(xiàn)對進口設備的替代。由于國產(chǎn)