AIDT 온디바이스 STEM 초고속 전자 회절(UED) 상대론적 분자 동영상 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.Ued
{
    public readonly ref struct UedPulseState
    {
        public readonly double ElectronEnergyMev;    // 전자 빔 에너지 (MeV)
        public readonly double LorentzGamma;         // 로렌츠 인자 gamma
        public readonly double PulseDurationFs;      // 압축된 전자 펄스 폭 (fs)
        public readonly double InteratomicDistanceA; // 추출된 결합 거리 r_ij (Å)
        public readonly double TimingJitterFs;       // 펌프-프로브 시간 지터 (fs)
        public readonly double BondVibrationFreqThz; // 결합 신축 진동 주파수 (THz)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public UedPulseState(double mev, double gamma, double duration, double dist, double jitter, double freq)
        {
            ElectronEnergyMev = mev;
            LorentzGamma = gamma;
            PulseDurationFs = duration;
            InteratomicDistanceA = dist;
            TimingJitterFs = jitter;
            BondVibrationFreqThz = freq;
        }
    }

    public ref struct UltrafastDiffractionEngine
    {
        private const double RestEnergyMev = 0.51099895; // MeV
        private const double DeBrogliePlanckH = 6.62607015e-34;

        private readonly double _equilibriumBondLengthA; // 평형 결합 거리 (Å, 예: 요오드 분자 I2 = 2.67 Å)
        private double _beamEnergyMev;                  // RF 전자총 가속 에너지 (MeV)
        private double _rfCavityPhaseDeg;               // 번처(Buncher) RF 위상 (deg)

        public UltrafastDiffractionEngine(double equilibriumDistA = 2.67, double initMev = 3.2)
        {
            _equilibriumBondLengthA = equilibriumDistA;
            _beamEnergyMev = initMev;
            _rfCavityPhaseDeg = -90.0;
        }

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public UedPulseState StepServo(double delayStagePositionFs, double measuredRfPhaseErrorDeg, double dtSec)
        {
            // 1. 상대론적 로렌츠 인자 gamma 및 속도 beta 계산
            // gamma = 1 + E_kin / E_rest
            double gamma = 1.0 + (_beamEnergyMev / RestEnergyMev);
            double beta = Math.Sqrt(1.0 - 1.0 / (gamma * gamma));

            // 2. 상대론적 공간 전하 팽창 억제 (gamma^3 의존성)
            // 종방향 쿨롱 반발력은 빔 진행 좌표계에서 gamma^3에 비례하여 감소
            double spaceChargeFactor = 1.0 / Math.Pow(gamma, 3.0);
            double baseDurationFs = 150.0 * spaceChargeFactor * 25.0; // 3.2 MeV에서 ~35 fs
            double pulseDuration = Math.Clamp(baseDurationFs + Math.Abs(measuredRfPhaseErrorDeg) * 8.0, 20.0, 200.0);

            // 3. 펌프-프로브 시간 지터 계산 (fs)
            double timingJitter = Math.Abs(measuredRfPhaseErrorDeg) * 12.0;

            // 4. 레이저 여기 후 요오드 분자 진동(약 6.4 THz) 역산 모사
            double vibrationFreqThz = 6.4;
            double omegaRadPerSec = 2.0 * Math.PI * vibrationFreqThz * 1e12;
            double tSec = delayStagePositionFs * 1e-15;
            double bondOscillation = 0.25 * Math.Sin(omegaRadPerSec * tSec) * Math.Exp(-delayStagePositionFs / 1500.0);
            double currentBondA = _equilibriumBondLengthA + bondOscillation;

            return new UedPulseState(
                mev: _beamEnergyMev,
                gamma: gamma,
                duration: pulseDuration,
                dist: currentBondA,
                jitter: timingJitter,
                freq: vibrationFreqThz
            );
        }
    }
}