초전도 고주파 전자총(SRF Photoinjector) 에미턴스 보상 & 1,000Hz 0-Alloc C# 펨토초 전자빔 공간전하 제어 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.SrfPhotoinjector
{
    /// <summary>
    /// SRF 전자총 레이저 및 전자빔 관측 상태 구조체
    /// </summary>
    public readonly ref struct InjectorBeamState
    {
        public double BunchChargePicoCoulomb { get; }// 다발 전하량 Q (pC)
        public double LaserSpotRadiusMm { get; }    // 광음극 레이저 빔 반경 (mm)
        public double SolenoidFieldTesla { get; }   // 집속 솔레노이드 자기장 B_z (T)
        public double SrfPeakGradientMvPerM { get; }// SRF 공동 가속 전계 구배 (MV/m)
        public double KineticEnergyMev { get; }     // 전자 빔 운동 에너지 (MeV)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public InjectorBeamState(double q, double r, double b, double grad, double e)
        {
            BunchChargePicoCoulomb = q;
            LaserSpotRadiusMm = r;
            SolenoidFieldTesla = b;
            SrfPeakGradientMvPerM = grad;
            KineticEnergyMev = e;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 0-Alloc C# 에미턴스 보상 및 솔레노이드 최적 전류 산출 엔진
    /// </summary>
    public ref struct EmittanceCompensationEngine
    {
        private const double RestMassEnergyMev = 0.51099895; // 전자 정지질량 에너지
        private double _targetSolenoidFieldTesla;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public EmittanceCompensationEngine(double initialTargetField)
        {
            _targetSolenoidFieldTesla = initialTargetField;
        }

        /// <summary>
        /// 1,000Hz 실시간 루프 (dt = 0.001s) 정규화 에미턴스 계산 및 솔레노이드 서보
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void ProcessStep(
            in InjectorBeamState state,
            out double normalizedEmittanceMmMrad,
            out double optimalSolenoidFieldTesla,
            out double solenoidCorrectionTesla,
            out bool isLowEmittancePreserved)
        {
            // 1. 상대론적 로런츠 인자 gamma 및 속도 beta
            double totalEnergyMev = state.KineticEnergyMev + RestMassEnergyMev;
            double gamma = totalEnergyMev / RestMassEnergyMev;
            double beta = Math.Sqrt(Math.Max(0.01, 1.0 - (1.0 / (gamma * gamma))));

            // 2. 열적 에미턴스 기저치 eps_th = sigma_x * sqrt(k_B * T_eff / m*c^2)
            double rLaserMm = Math.Max(0.1, state.LaserSpotRadiusMm);
            double thermalEmittanceMmMrad = 0.55 * rLaserMm; // Cs2Te 평균 0.55 um/mm

            // 3. 공간전하 유도 에미턴스 팽창 (Q / (sigma^2 * gamma^2 * E_rf))
            double chargeFactor = state.BunchChargePicoCoulomb / 100.0;
            double spaceChargeTerm = (0.45 * chargeFactor) / (rLaserMm * gamma * (state.SrfPeakGradientMvPerM / 30.0));

            // 4. 페라리오 최적 솔레노이드 자기장 B_opt (공간전하 초점과 가속 공동 입구 일치)
            optimalSolenoidFieldTesla = 0.185 * Math.Sqrt(chargeFactor) * (1.0 / Math.Max(0.5, beta));

            // 솔레노이드 오차에 따른 위상 정렬 불일치 페널티
            double fieldError = state.SolenoidFieldTesla - optimalSolenoidFieldTesla;
            double misalignPenalty = 45.0 * (fieldError * fieldError);

            normalizedEmittanceMmMrad = Math.Sqrt((thermalEmittanceMmMrad * thermalEmittanceMmMrad) +
                                                  (spaceChargeTerm * spaceChargeTerm) +
                                                  misalignPenalty);

            // 5. 솔레노이드 보정량 P-서보
            const double kp = 0.65;
            solenoidCorrectionTesla = -kp * fieldError;
            _targetSolenoidFieldTesla = optimalSolenoidFieldTesla;

            // 저에미턴스 충족 여부 판정 (< 0.40 um*mrad)
            isLowEmittancePreserved = normalizedEmittanceMmMrad <= 0.40;
        }
    }
}