AIDT 온디바이스 STEM 원자 프로브 단층 촬영(APT) 전계 증발 3차원 원자 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.Apt
{
    public readonly ref struct AptVoxelState
    {
        public readonly double TipRadiusNm;          // 추정 나노 팁 정점 반경 R (nm)
        public readonly double AppliedVoltageVolts;  // 인가 고전압 V (V)
        public readonly double ElectricFieldVperNm;  // 표면 전계 강도 F (V/nm)
        public readonly double EvaporationRatePerPulse;// 펄스당 평균 이온 검출수
        public readonly double MassToChargeDa;       // 질량 대 전하비 m/q (Da)
        public readonly double ReconstructedDepthNm; // 3D 원자 재구성 깊이 z (nm)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public AptVoxelState(double rNm, double volts, double field, double rate, double mq, double depth)
        {
            TipRadiusNm = rNm;
            AppliedVoltageVolts = volts;
            ElectricFieldVperNm = field;
            EvaporationRatePerPulse = rate;
            MassToChargeDa = mq;
            ReconstructedDepthNm = depth;
        }
    }

    public ref struct AptTomographyEngine
    {
        private const double ECharge = 1.602176634e-19; // C
        private const double AtomicMassUnitKg = 1.66053906660e-27; // kg
        private const double FlightPathMeters = 0.10;   // 비행 거리 L (m, 10 cm)
        private const double AtomicVolumeM3 = 1.2e-29;  // 단일 원자 체적 (m^3)
        private const double KfGeometricFactor = 5.0;   // 팁 필드 인자 k_f

        private double _highVoltageVolts;            // 현재 인가 직류 전압 (V)
        private double _tipRadiusNm;                 // 나노 팁 반경 R (nm)
        private double _accumulatedDepthNm;          // 누적 깊이 z (nm)
        private double _targetEvapRate;              // 목표 검출율 (예: 0.01 ions/pulse)

        public AptTomographyEngine(double initVolts = 3000.0, double initRadiusNm = 20.0, double targetRate = 0.01)
        {
            _highVoltageVolts = initVolts;
            _tipRadiusNm = initRadiusNm;
            _accumulatedDepthNm = 0.0;
            _targetEvapRate = targetRate;
        }

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public AptVoxelState StepServo(double measuredEvapRate, double timeOfFlightNs, double dtSec)
        {
            // 1. 증발율 피드백 기반 고전압 DC 램핑 (일정 전계 F_evap 유지)
            double rateError = _targetEvapRate - measuredEvapRate;
            _highVoltageVolts += rateError * 2.0; // P-게인 전압 조정

            // 2. 표면 전계 F = V / (k_f * R) (V/nm)
            double fieldVperNm = _highVoltageVolts / (KfGeometricFactor * _tipRadiusNm);

            // 3. TOF 기반 질량 대 전하비 m/q (Da) 산출
            // E_kin = q * V = (1/2) * m * (L / t)^2  ==>  m/q = 2 * V * (t / L)^2
            double tSec = timeOfFlightNs * 1e-9;
            double mqKgPerC = 2.0 * _highVoltageVolts * Math.Pow(tSec / FlightPathMeters, 2.0);
            double mqDaltons = (mqKgPerC * ECharge) / AtomicMassUnitKg;

            // 4. 원자 제거에 따른 팁 무딤화(Blunting) 및 깊이 재구성
            // 원자가 증발할수록 R_tip은 미세하게 팽창
            double evaporatedAtomsInStep = Math.Max(measuredEvapRate * 1000.0, 1.0);
            double deltaDepthMeters = (evaporatedAtomsInStep * AtomicVolumeM3) / (0.60 * Math.PI * Math.Pow(_tipRadiusNm * 1e-9, 2.0));
            _accumulatedDepthNm += deltaDepthMeters * 1e9;
            _tipRadiusNm += deltaDepthMeters * 1e9 * 0.10; // 테이퍼 각도 10% 반영

            return new AptVoxelState(
                rNm: _tipRadiusNm,
                volts: _highVoltageVolts,
                field: fieldVperNm,
                rate: measuredEvapRate,
                mq: mqDaltons,
                depth: _accumulatedDepthNm
            );
        }
    }
}