극저온 헬륨-3/헬륨-4 희석냉동기(Dilution Refrigerator) 상분리 & 1,000Hz 0-Alloc C# 10mK 엔트로피 희석 냉각 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.DilutionRefrigeration
{
    /// <summary>
    /// 희석냉동기 믹싱 챔버 10mK 냉각 서보 상태 구조체
    /// 0-Alloc ref struct: GC 압박 완전 배제 (1,000Hz 실시간 루프)
    /// </summary>
    public ref struct DilutionFridgeState
    {
        public float MixingChamberTempK;    // 믹싱 챔버 온도 [K] (목표 0.010 K = 10 mK)
        public float StillTempK;             // 스틸 증류부 온도 [K] (통상 0.70 K)
        public float He3CirculationRateMolS;// He-3 몰 순환율 [mol/s] (10~200 umol/s)
        public float AvailableCoolingPowerW; // 현재 온도에서의 가용 냉각능력 [W]
        public float StillHeaterPowerW;      // 스틸 히터 인가 전력 [W]
        public float AppliedHeatLoadW;       // 외부 유입 열부하 (양자칩 발열 등) [W]
        public bool IsBaseTempLocked;        // 10mK 베이스 온도 안정 잠금 여부
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 무할당 He3-He4 엔트로피 희석냉각 서보 엔진
    /// </summary>
    public static class DilutionCoolingServoEngine
    {
        private const float BaseTargetTempK = 0.010f;       // 10 mK
        private const float DilutionEnthalpyFactor = 84.0f; // 84 J/(mol*K^2)
        private const float LatentHeatHe3Still = 450.0f;    // Still He3 증발잠열 [J/mol]

        /// <summary>
        /// 1,000Hz (1ms) 단일 실행 프레임: RuO2 온도 센서 계측 기반 스틸 히터 전력 갱신
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static void UpdateFrame(
            ref DilutionFridgeState state,
            float measuredMcTempK,
            float measuredStillTempK,
            float externalHeatLoadW,
            float dtSeconds)
        {
            state.MixingChamberTempK = measuredMcTempK;
            state.StillTempK = measuredStillTempK;
            state.AppliedHeatLoadW = externalHeatLoadW;

            // 1) 스틸 전력 기반 He-3 순환율 역산
            // n_dot_3 = Q_still / L3
            state.He3CirculationRateMolS = MathF.Max(5.0e-6f, state.StillHeaterPowerW / LatentHeatHe3Still);

            // 2) 믹싱 챔버 냉각능력 산출: Q_c = 84 * n_dot * T_mc^2
            float tMcSquared = measuredMcTempK * measuredMcTempK;
            state.AvailableCoolingPowerW = DilutionEnthalpyFactor * state.He3CirculationRateMolS * tMcSquared;

            // 3) 온도 오차 기반 비선형 적응형 스틸 히터 서보
            // 온도가 높으면 순환율을 늘려야 하므로 스틸 히터를 증가
            float tempError = measuredMcTempK - BaseTargetTempK;

            // PID 적분 피드백
            float kp = 0.05f;
            float ki = 0.01f;
            float requiredStillPower = 0.002f + (kp * tempError) + (ki * tempError * dtSeconds);

            // 스틸 히터 전력 클램핑 (0.5 mW ~ 15 mW)
            state.StillHeaterPowerW = MathF.Min(0.015f, MathF.Max(0.0005f, requiredStillPower));

            // 4) 10mK 베이스 온도 잠금 판정 (오차 < 1mK 이내)
            state.IsBaseTempLocked = MathF.Abs(tempError) < 0.001f;
        }
    }
}