Несколько дней спустя Толкачеву позвонил незнакомый мужчина и на хорошем русском языке предложил:

— Через 10—15 минут, пожалуйста, выйдите из дома и заберите материалы, которые находятся в старой рукавице, спрятанной за будкой телефона-автомата у магазина «Башмачок» в Трехгорном переулке.

«Я тут же поспешил к будке и отыскал рукавицу. В ней находились 20 листов с цифровыми группами (коды), шифровальные таблицы, два конверта с адресами получателя и написанными на английским языке письмами, два листа тайнописной копирки, инструкция в виде небольшой книжечки с мелким шрифтом на русском языке (по составлению тайнописных сообщений; по зашифровке текста; по отправке сообщений в разведцентр; по уничтожению полученных материалов), небольшой лист бумаги с вопросами (по тематике института, параметры РЛС), деньги в сумме 500 рублей…»

Так началось сотрудничество Толкачева с американской разведкой. Работу с ним вели сотрудники ЦРУ, находившиеся в Москве под прикрытием посольства США и специально приезжавшие в Москву.

Позднее Толкачева снабдили специальной аппаратурой для моментального «выстреливания» в эфир шпионских сообщений. Им вводилась в прибор открытая, без зашифровки, информация на русском языке. В самом приборе она автоматически шифровалась, а затем передавалась эфир за доли секунды. Принимаемые прибором указания разведки тоже были зашифрованы, затем прибором расшифровывались и считывались Толкачевым с табло на русском языке. (Для осуществления такого сеанса связи в посольстве США находилась приемо-передающая аппаратура.) Но нервов у Толкачева хватило ненадолго. Опасаясь иметь при себе такую явную улику, он вскоре уничтожил прибор.

Другое шпионское снаряжение, по его мнению менее опасное, он продолжал хранить до конца, в том числе фотоаппарат «Пентакс», несколько мини-фотоаппаратов, радиоприемник «Панасоник» специальной конструкции, люксметр, магнитный контейнер. Ряд приспособлений Толкачев изготовил сам. В их числе репродукционная установка, кольца и спица для автоматической установки дистанции при фотографировании документов, специально разграфленный лист бумаги как приспособление для репродукционной съемки.

От радиосвязи Толкачев отказался, от тайников тоже — он насмотрелся фильмов, где шпионов ловят при «обработке» тайников. Оставались личные встречи с сотрудниками резидентуры, тем более что на них Толкачев не только мог передать информацию и получить деньги, технические средства, инструкции и рекомендации, но и пообщаться с хозяевами, услышать в свой адрес похвалы, на которые они не скупились и в устной, и в письменной форме.

Встречи проводились очередные и внеочередные. В переданных Толкачеву инструкциях указывались условные обозначения мест, где должны были происходить конспиративные встречи с американскими разведчиками. Эти места фигурировали под наименованиями: «Нина», «Валерий», «Ольга», «Анна», «Новиков», «Шмидт», «Саша», «Черный», «Петр», «Трубка». Детально описано их местонахождение, маршруты подхода, определены время ожидания на месте, условности опознания.

Как следует из обнаруженного у Толкачева графика на период с февраля 1985 по январь 1987 года, предусматривалась возможность встреч в каждом месяце года. Дни их проведения располагались в определенной последовательности; за каждым из этих дней закреплялось одно место явки, независимо от месяца, и постоянное время. Конкретный месяц очередной встречи оговаривался между Толкачевым и американским разведчиком на предыдущей явке.

Сигналом о готовности Толкачева выйти на очередную встречу являлся сначала зажженный в определенное время свет в одной из комнат его квартиры, а позднее — открытая форточка одного из окон квартиры в обусловленное время. Пароль для встречи состоял из фраз: «Вам привет от Кати» — сотрудника разведки; «Передайте привет от Николая» — ответ Толкачева. Вещественный пароль: агент держит в левой руке книгу в белой обложке.

При экстренном вызове Толкачева на внеочередную встречу американцы звонили ему на квартиру. На фразу разведчика: «Позовите, пожалуйста, Ольгу» Толкачеву надлежало ответить: «Вы ошиблись. У нас таких нет», что означало его готовность через час быть на месте встречи. Ответ Толкачева: «Вы не туда попали» свидетельствовал об отсутствии у него такой возможности.

В случае возникновения у Толкачева необходимости в экстренной встрече ему надлежало в одном из определенных мест поставить условную метку мелом в виде буквы "О", а затем убедиться в готовности американцев к этой встрече, о чем должен свидетельствовать зажженный в обусловленное время свет в известных шпиону окнах здания посольства США. Предусматривались и другие способы, например остановка машины Толкачева или машины посольства в определенное время в определенном месте.

На встречу с Толкачевым сотрудник резидентуры ЦРУ выходил один, беседа велась на улице или в автомашине агента в течение 15—20 минут. Как правило, разговор с Толкачевым разведчик записывал на магнитофон. Большое внимание американцы уделяли его идеологической обработке, укреплению у него уверенности в «правильности» принятого решения о сотрудничестве с американской разведкой. Практически на каждой встрече он получал книги и брошюры антисоветского содержания. В частности, при задержании у Стомбауха были изъяты предназначавшиеся для Толкачева подобного рода книги, закамуфлированные под технические труды. На обложке одной из них значилось «Основы звукового вещания», на другом — «Справочник по электрическим устройствам».

По этому поводу Толкачев показал: «Как правило, американцы присылали мне книги и брошюры в качестве новогодних подарков… Я полагаю, что американская разведка направляла мне эти книги для моей идеологической обработки, пытаясь вызвать у меня антисоветские настроения. Мне это было непонятно, так как я сам обратился к ним с предложением о сотрудничестве и передачей ряда секретных документов привязал себя к ним, и моя еще какая-то обработка была излишней. Полагаю, что в данном случае действовал определенный стереотип, выработавшийся у американских спецслужб по работе с другими, такими же, как я, людьми». Американцы в инструктивных письмах не жалели хвалебных слов, всячески играли на его амбициях, тщеславии, постоянно подчеркивали значимость «его работы», благодарили от имени «высшего уровня правительства».

В ходе следствия Толкачев подробно рассказал о том, какие методы он применял для сбора совершенно секретных и секретных материалов. Суть их сводилась к тому, что он «на полную катушку» использовал промахи в секретном делопроизводстве и режиме в НИИ, где он работал. Он установил, что не проводится проверка документов в спецчемоданах при их сдаче в конце рабочего дня, что позволило хранить их по нескольку дней и выносить домой для фотографирования; прибегал к различным уловкам для заполнения «Разрешений» на выдачу секретных документов — оставлял незакрытые скобки, а после подписи должностного лица вписывал нужные документы и закрывал скобки; обманным путем получал чистый бланк «Разрешения», заполнял его лицевую сторону, вносил туда лишь небольшую часть инвентарных номеров документов, с которыми ранее знакомился в Первом отделе, и передавал американскому разведчику с фотоснимками подлинного «Разрешения» и описанием цвета чернил подписей должностных лиц для их подделки на новом бланке. Таким образом дважды заменялись карточки «Разрешения». Именно вторая, поддельная карточка своей нелогичностью привлекла внимание проверяющего оперативного работника.

Часть документов Толкачев сфотографировал в туалетной комнате института. «Рабочее место» для съемки совершенно секретных материалов Толкачев устроил и у себя дома — из чертежных досок, деревянных брусков и полученной от американцев струбцины со сферическим шарниром, с помощью которой крепил фотоаппарат «Пентакс».

Используя бесконтрольность с документами командированных лиц, Толкачев в период нахождения в НИИ приборостроения в городе Жуковском получил от его сотрудников важный документ и, закрывшись в обеденный перерыв в одной из комнат предприятия, сфотографировал его аппаратом «Пентакс», который скрытно принес с собой.