AIDT 온디바이스 STEM 레이저 유도 분계 분광(LIBS) 사하-볼츠만 플라즈마 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.Libs
{
    public readonly ref struct LibsPlasmaState
    {
        public readonly double ElectronTempKelvin;   // 플라즈마 전자 온도 Te (K)
        public readonly double ElectronDensityCm3;   // 전자 밀도 n_e (cm^-3)
        public readonly double GateDelayUs;          // 최적 게이트 지연 시간 (us)
        public readonly double SignalToBackground;   // 신호 대 배경비 (SBR)
        public readonly bool IsLteSatisfied;         // McWhirter LTE 충족 여부
        public readonly double IronConcentrationPpm; // 철(Fe) 농도 추정치 (ppm)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public LibsPlasmaState(double te, double ne, double delay, double sbr, bool lte, double fePpm)
        {
            ElectronTempKelvin = te;
            ElectronDensityCm3 = ne;
            GateDelayUs = delay;
            SignalToBackground = sbr;
            IsLteSatisfied = lte;
            IronConcentrationPpm = fePpm;
        }
    }

    public ref struct LibsSpectrometerEngine
    {
        private const double Kb = 8.617333262e-5; // eV/K
        private const double StarkWConstant = 0.025; // nm (Fe 404.58nm stark parameter at 10^16 cm^-3)

        private double _currentGateDelayUs;          // 현재 검출기 게이트 지연 (us)
        private double _laserFluenceJcm2;            // 레이저 에너지 밀도 (J/cm^2)

        public LibsSpectrometerEngine(double initDelayUs = 1.2, double fluence = 15.0)
        {
            _currentGateDelayUs = initDelayUs;
            _laserFluenceJcm2 = fluence;
        }

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public LibsPlasmaState StepServo(double fwhmStarkNm, double slopeBoltzmann, double continuumBackground, double dtSec)
        {
            // 1. 볼츠만 플롯 기울기 m = -1/(k_B * Te)로부터 전자 온도 Te (K) 계산
            double slope = Math.Min(slopeBoltzmann, -1e-5);
            double teEv = -1.0 / slope;
            double teKelvin = Math.Clamp(teEv / Kb, 3000.0, 30000.0);

            // 2. 슈타르크 선폭 확대로부터 전자 밀도 n_e (cm^-3) 산출
            double ne = (Math.Max(fwhmStarkNm, 0.005) / (2.0 * StarkWConstant)) * 1e16;

            // 3. McWhirter 기준식 검증 (LTE 평형 검증)
            // ne >= 1.6e12 * sqrt(T) * (DeltaE)^3
            double deltaEEv = 3.2; // 주요 전이 에너지
            double mcWhirterNe = 1.6e12 * Math.Sqrt(teKelvin) * Math.Pow(deltaEEv, 3.0);
            bool lteValid = (ne >= mcWhirterNe);

            // 4. 플라즈마 제동복사 연속 배경선 대비 선 스펙트럼 비(SBR) 추적 및 게이트 지연 보정
            double sbr = (100.0 / Math.Max(continuumBackground, 1.0));
            if (sbr < 10.0 && _currentGateDelayUs < 3.0)
            {
                _currentGateDelayUs += 0.05; // 배경 제동복사 감쇠 대기
            }
            else if (sbr > 50.0 && _currentGateDelayUs > 0.5)
            {
                _currentGateDelayUs -= 0.02; // 신호 강도 보존
            }

            // 5. 검량선(Calibration-Free LIBS) 기반 철 원소 농도 모사
            double fePpm = Math.Clamp(ne * 1e-15 * (teKelvin / 10000.0) * 120.0, 10.0, 50000.0);

            return new LibsPlasmaState(
                te: teKelvin,
                ne: ne,
                delay: _currentGateDelayUs,
                sbr: sbr,
                lte: lteValid,
                fePpm: fePpm
            );
        }
    }
}