射頻發(fā)射線圈行業(yè)前景

射頻發(fā)射線圈行業(yè)前景

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)?；慨a(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(shí)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(fèi)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(shí)現(xiàn)無阻載流運(yùn)行，因此超導(dǎo)磁體和常導(dǎo)磁體相比，其體積和運(yùn)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(shí)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(fèi)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。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(yàn)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(shí)驗(yàn)、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為醫(yī)療機(jī)構(gòu)，醫(yī)療機(jī)構(gòu)購買大型醫(yī)用設(shè)備的前置程序較為繁瑣，通常在一季度進(jìn)行預(yù)算審批，第二季度和第三季度進(jìn)行招標(biāo)和采購，四季度發(fā)貨驗(yàn)收。因此，設(shè)備商及其上游的核心部件供應(yīng)商的銷售具備一定季節(jié)性特征。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，巴丁（J．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(yùn)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(shí)現(xiàn)無損耗運(yùn)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)材料發(fā)展綜述人們對超導(dǎo)材料的探究得益于低溫物理學(xué)的發(fā)展，而超導(dǎo)材料的誕生則源于人們對金屬電阻與溫度之間的關(guān)系探索。超導(dǎo)，全稱超導(dǎo)電性，是二十世紀(jì)最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，指的是當(dāng)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(dǎo)材料或超導(dǎo)體。超導(dǎo)體的誕生要追溯到二十世紀(jì)初，人們在氣體理論的指導(dǎo)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(xué)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(zhì)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(biāo)準(zhǔn)大氣壓下固化的物質(zhì)，而液氦的成功獲得極大地推進(jìn)了低溫物理學(xué)的發(fā)展，這也為超導(dǎo)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(yù)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(dǎo)體的第一個基本特征完全導(dǎo)電性，指當(dāng)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(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)而獲得了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎，并首次以超導(dǎo)一詞來表達(dá)這一現(xiàn)象，寓意為超級導(dǎo)電。自此以后，人們把處于超導(dǎo)狀態(tài)的導(dǎo)體稱為超導(dǎo)材料，其憑借獨(dú)特的性能和具有潛力的各項(xiàng)應(yīng)用而持續(xù)地吸引著全球各地眾多科學(xué)家的不斷探索。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(jì)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(jì)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(jì)算機(jī)及其他輔助設(shè)備包括主控計(jì)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(diǎn)，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)磁體行業(yè)發(fā)展趨勢主磁體系統(tǒng)的信噪比與場強(qiáng)成正比，主磁體場強(qiáng)越高，信噪比越高，采集速度更快；梯度場強(qiáng)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(shè)計(jì)有關(guān)。70cm級以上的大孔徑設(shè)計(jì)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(yàn)，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(shí)現(xiàn)對患者檢測部位的適應(yīng)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(jì)算機(jī)人工智能技術(shù)，在掃描的同時感知患者各種生理信息，實(shí)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(dǎo)MRI中重要的工業(yè)材料，為不可再生資源，而且在補(bǔ)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(dǎo)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(shí)踐驗(yàn)證。高磁場強(qiáng)度的應(yīng)用場景仍需進(jìn)一步拓展，而且不同場景的產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)腫瘤的定點(diǎn)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(rèn)為是世界上最先進(jìn)、更精準(zhǔn)的前沿放射治療技術(shù)。利用質(zhì)子束對腫瘤進(jìn)行精準(zhǔn)放療，具有劑量分布好、局部劑量高、旁散射少等優(yōu)點(diǎn)。超導(dǎo)磁體即超導(dǎo)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(xì)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(qiáng)磁場下可以促使得廢水中懸浮顆粒進(jìn)行磁分離。理論上，處于臨界溫度以下的超導(dǎo)磁體所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度可以達(dá)到10T以上，可以在不添加磁種的情況下輕松實(shí)現(xiàn)磁分離。C．磁拉單晶：磁拉單晶技術(shù)的物理基礎(chǔ)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，晶體完整性、均勻性得到極大改善，可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量大尺寸單晶硅快速生長。采用超導(dǎo)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(dǎo)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(shè)備廢料中回收金屬可以解決環(huán)境和經(jīng)濟(jì)問題，在廢PCB（印刷電路板）回收中使用超導(dǎo)磁吸分離，可有效提高鐵、鈷、鎳等磁性金屬的回收率。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