AIDT 온디바이스 STEM 4세대 X선 자유전자 레이저(XFEL) SASE 마이크로번칭 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.Xfel
{
    public readonly ref struct XfelState
    {
        public readonly double PierceParameterRho;   // FEL 파라미터 rho
        public readonly double GainLengthMeters;     // 파워 이득 길이 Lg (m)
        public readonly double SaturationPowerWatts; // 포화 방사 전력 Psat (W)
        public readonly double MicrobunchingFraction;// 마이크로번칭 변조 인자 b
        public readonly double OrbitDisplacementUm;  // 횡방향 궤도 편차 (um)
        public readonly double RadiationWavelengthNm;// 공명 파장 (nm)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public XfelState(double rho, double lg, double psat, double bFrac, double orbitUm, double lambdaNm)
        {
            PierceParameterRho = rho;
            GainLengthMeters = lg;
            SaturationPowerWatts = psat;
            MicrobunchingFraction = bFrac;
            OrbitDisplacementUm = orbitUm;
            RadiationWavelengthNm = lambdaNm;
        }
    }

    public ref struct XfelSaseServoEngine
    {
        private const double C = 299792458.0;
        private const double AlfvénCurrent = 17045.0; // Amperes
        private const double RestEnergyEv = 0.51099895e6; // Electron rest energy

        private readonly double _beamEnergyGev;      // 전자 빔 에너지 (GeV)
        private readonly double _undulatorPeriodM;   // 언듈레이터 주기 lambda_u (m)
        private readonly double _peakCurrentA;       // 빔 피크 전류 (A)
        private readonly double _beamRadiusM;        // 전자 빔 횡방향 반경 sigma_x (m)

        private double _undulatorK;                  // 언듈레이터 파라미터 K
        private double _orbitCorrectionUm;           // 횡방향 보정 변위 (um)

        public XfelSaseServoEngine(double beamEnergyGev = 10.0, double lambdaUMm = 26.0, double peakCurrentA = 3000.0, double beamRadiusUm = 25.0)
        {
            _beamEnergyGev = beamEnergyGev;
            _undulatorPeriodM = lambdaUMm * 1e-3;
            _peakCurrentA = peakCurrentA;
            _beamRadiusM = beamRadiusUm * 1e-6;

            _undulatorK = 1.87; // 기준 K 파라미터
            _orbitCorrectionUm = 0.0;
        }

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public XfelState StepServo(double undulatorGapDeltaMm, double steeringCoilCorrectionUm, double dtSec)
        {
            // 1. 언듈레이터 파라미터 튜닝 및 감마 인자
            _undulatorK = Math.Clamp(_undulatorK - undulatorGapDeltaMm * 0.05, 0.5, 3.5);
            _orbitCorrectionUm += steeringCoilCorrectionUm;

            double gamma = (_beamEnergyGev * 1e9) / RestEnergyEv;
            double ku = 2.0 * Math.PI / _undulatorPeriodM;

            // 2. 공명 파장 lambda_r 계산
            double lambdaR = (_undulatorPeriodM / (2.0 * gamma * gamma)) * (1.0 + 0.5 * _undulatorK * _undulatorK);

            // 3. 베셀 함수 계수 [JJ] 및 피어스 파라미터 rho 계산
            double xi = (_undulatorK * _undulatorK) / (4.0 + 2.0 * _undulatorK * _undulatorK);
            double jj = 1.0 - 0.5 * xi; // 선형 베셀 근사 J0 - J1

            double rhoCubed = (1.0 / 16.0) * (_peakCurrentA / AlfvénCurrent) *
                              (Math.Pow(_undulatorK * jj, 2.0) / (Math.Pow(gamma, 3.0) * _beamRadiusM * _beamRadiusM * ku * ku));
            double rho = Math.Cbrt(Math.Max(rhoCubed, 1e-12));

            // 4. 이득 길이 Lg, 포화 전력 Psat
            double lg = _undulatorPeriodM / (4.0 * Math.PI * Math.Sqrt(3.0) * rho);
            double beamPower = _beamEnergyGev * 1e9 * _peakCurrentA;
            double pSat = rho * beamPower;

            // 5. 마이크로번칭 지수 성장 및 포화 모델
            double currentZ = 40.0; // 언듈레이터 중간 지점 40m 가정
            double microbunching = Math.Clamp(0.01 * Math.Exp(currentZ / lg), 0.0, 0.85);

            return new XfelState(
                rho: rho,
                lg: lg,
                psat: pSat,
                bFrac: microbunching,
                orbitUm: _orbitCorrectionUm,
                lambdaNm: lambdaR * 1e9
            );
        }
    }
}