Толкачёв использовал любые бреши в работе режимных органов института. Документы, которые он получал в 1‑м отделе, фиксировались в его карточке, именуемой «Разрешение на право пользования технической документацией». Когда его карточка оказалась заполненной, он обманным путем получил чистый бланк «Разрешения», заполнил его лицевую сторону, внес туда лишь небольшую часть инвентарных номеров документов, которые брал в 1 отделе, и на очередной встрече с американским куратором передал карточку вместе с фотоснимком подлинного «Разрешения» и описанием цвета чернил подписей должностных лиц для их подделки на новом бланке. Этот трюк он проделывал как минимум дважды — в декабре 1979 и в декабре 1980 года.
Рабочее место для съемки совершенно секретных материалов Толкачёв, действуя с маниакальной осторожностью, оборудовал у себя дома, в сталинской высотке на площади Восстания, прямо напротив американского посольства, используя для этого чертежные доски, деревянные бруски и полученную от американцев струбцину со сферическим шарниром, с помощью которой он крепил фотоаппарат «Пентакс».
Тучи над ним стали сгущаться, когда одна из сотрудниц 1‑го отдела, Анна Владимировна, сообщила Сергею об имевших место нарушениях установленного порядка получения и обращения с секретными документами. В числе нарушителей она назвала и ведущего конструктора одного из отделов Толкачёва: «Однажды я видала, как Толкачёв, получив перед обеденным перерывом в первом отделе под расписку документ и не возвратив его, выходил за пределы предприятия». Когда она вышла на улицу, ей показалось, что она увидела там отъезжающего на своей автомашине Толкачёва. Возвратившись в отдел, она проверила наличие документа — его на месте не оказалось…
Проведенная в библиотеке спецфонда проверка показала, что Толкачёв, как правило, брал ненужные ему для работы секретные издания сразу после начала рабочего дня, а после того, как получал совершенно секретные документы под расписку, книги сдавал обратно в библиотеку. Таким образом, к обеденному перерыву у Толкачёва на руках оставались и пропуск в институт и совершенно секретные материалы.
Подозрения чекистов в отношении Толкачёва еще более укрепились, когда выяснилось, что в его карточку внесены далеко не все инвентарные номера документов. Библиотекарь чисто визуально запомнила, что год назад в его карточке уже не оставалось места для записи, а настоящая карточка заполнена лишь наполовину. Проведенная в лаборатории КГБ экспертиза установила, что подписи должностных лиц в карточке Толкачёва являются поддельными.
С этого момента начался новый этап разработки Толкачёва. Контрразведчики выяснили, что он считался высококвалифицированным инженером, хотя ранее злоупотреблял алкоголем и лечился у нарколога. При этом недавно им приобретены дача и машина «Жигули» первой модели. Любовь к обогащению, завышенные представления о своей личности и способностях толкнули его на преступление. Уже будучи арестованным, Толкачёв на первом же допросе дал подробные показания о своей шпионской деятельности: «Мысль о возможности установления связи с сотрудниками американской разведки и передачи им за соответствующее вознаграждение секретной информации, которой я располагал по роду своей работы в НИИ радиостроения, появилась у меня несколько лет назад (а точнее — в 1977 году. —
Проявляя высочайшую осторожность и хитрость, Толкачёв продолжал передавать американцам записки с предложением своих услуг — соответственно в феврале, мае и июне 1978 года в Девятинском переулке у здания посольства США. В двух последних записках он сообщал данные о своём месте работы, номер квартирного телефона и сведения о РЛС к МиГ‑23. Несколько дней спустя Толкачёву позвонил незнакомый мужчина и на подчёркнуто правильном русском языке сообщил:
— 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.
Упаковка в виде старой грязной рукавицы содержала письмо с предложением ответить на вопросы, уточняющие ранее сообщенные сведения о РЛС к МиГ‑23, шифроблокнот, инструкции по пользованию шифроблокнотом и тайнописной копиркой, два листа ТП-копирки, два письма-прикрытия от имени американских туристов и 500 рублей — в то время зарплата директора.