AIDT 온디바이스 STEM 방사광 X선 극저온 초전도 나노와이어 단일광자 검출기(SNSPD) 저잡음 판독 서보 제어기

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.CryoSnspdReadout
{
    /// <summary>
    /// SNSPD 극저온 판독 텔레메트리 상태
    /// </summary>
    public readonly ref struct SnspdTelemetryState
    {
        public readonly double BiasCurrentMicroAmps;       // 나노와이어 바이어스 전류 [uA]
        public readonly double CryoStageTempKelvin;        // 헬륨-4 극저온단 온도 [K]
        public readonly double DarkCountRateHz;            // 암계수율 (DCR) [Hz]
        public readonly double PulseHeightMilliVolts;      // 광자 검출 펄스 피크 [mV]
        public readonly bool IsLatched;                    // 초전도 래칭 상태 여부

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public SnspdTelemetryState(double iBias, double tempK, double dcr, double vPulse, bool latched)
        {
            BiasCurrentMicroAmps = iBias;
            CryoStageTempKelvin = tempK;
            DarkCountRateHz = dcr;
            PulseHeightMilliVolts = vPulse;
            IsLatched = latched;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 고속 비교기 및 바이어스 서보 지령
    /// </summary>
    public readonly ref struct SnspdServoCommand
    {
        public readonly double CommandedBiasMicroAmps;     // 보정 바이어스 지령 전류 [uA]
        public readonly double ThresholdMilliVolts;        // 고속 판독 비교기 문턱 전압 [mV]
        public readonly bool ResetPulseTriggered;          // 래칭 해제 리셋 펄스 트리거

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public SnspdServoCommand(double cmdBias, double vTh, bool resetTrig)
        {
            CommandedBiasMicroAmps = cmdBias;
            ThresholdMilliVolts = vTh;
            ResetPulseTriggered = resetTrig;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 10,000Hz 0-Alloc 극저온 SNSPD 판독 서보 엔진
    /// </summary>
    public sealed class CryoSnspdServoEngine
    {
        private const double CriticalCurrent0K = 25.0;     // 0K 임계 전류 [uA]
        private const double CriticalTemp = 10.5;          // NbN 박막 임계 온도 [K]
        private const double SafeMarginRatio = 0.94;       // 94% 임계 전류 운용선
        private double _currentBiasTarget;
        private double _filteredDcr;

        public CryoSnspdServoEngine()
        {
            _currentBiasTarget = 18.5;
            _filteredDcr = 10.0;
        }

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public SnspdServoCommand UpdateServoLoop(in SnspdTelemetryState telemetry, double dtSeconds)
        {
            // 1. 임계 전류 온도 보정 수식 (Ginzburg-Landau)
            double tRatio = Math.Clamp(telemetry.CryoStageTempKelvin / CriticalTemp, 0.0, 0.99);
            double icTemp = CriticalCurrent0K * Math.Pow(1.0 - (tRatio * tRatio), 1.5);
            double optimalBias = icTemp * SafeMarginRatio;

            // 2. 초전도 래칭 상태 검출 및 고속 강제 복구
            bool resetTrigger = false;
            if (telemetry.IsLatched || telemetry.PulseHeightMilliVolts > 450.0)
            {
                // 래칭 발생 시 바이어스 즉각 제로 리셋
                _currentBiasTarget = 0.0;
                resetTrigger = true;
            }
            else
            {
                // 점진적 바이어스 램프업 서보 (Slew Rate Limit)
                double maxRamp = 50.0 * dtSeconds; // 50 uA/s
                double biasDiff = optimalBias - _currentBiasTarget;
                _currentBiasTarget += Math.Clamp(biasDiff, -maxRamp, maxRamp);
            }

            // 3. 암계수율(DCR) 억제형 적응형 비교기 문턱 전압 계산
            _filteredDcr = (0.95 * _filteredDcr) + (0.05 * telemetry.DarkCountRateHz);
            double baseThreshold = 80.0; // 80 mV 기본
            if (_filteredDcr > 100.0)
            {
                baseThreshold += Math.Min(120.0, (_filteredDcr - 100.0) * 0.5);
            }

            return new SnspdServoCommand(_currentBiasTarget, baseThreshold, resetTrigger);
        }
    }
}