Вскоре Толкачев предпринял вторую попытку связаться с американской разведкой. Чтобы заинтересовать ее, он описал технические данные одной из советских радарных систем. Несколько недель он проторчал в районе посольства США в Большом Девятинском переулке в поисках возможности передачи письма какому-нибудь его сотруднику. Увидев машину с американским номером, он незаметно положил письмо на колени мужчине, когда тот уже сидел за рулем. В этот раз он писал, что если американцы согласны на встречу с ним, то они должны поставить машину с их дипломатическим номером около магазина «Консервы» в Спасопесковском переулке. Такая машина в установленном месте стояла, но на встречу с ним никто не пришел. Американцы не поверили ему, но скорее всего они проверяли его.
В третьей записке Толкачев писал, что «дважды пытался встретиться с сотрудником посольства США, но вы, по-видимому, боитесь провокаций». Для установления большего доверия к себе он сообщил в письме, что работает в НИИ, который занимается разработкой радиолокационных станций для самолетов-перехватчиков. В данное время занят разработкой РЛС «Сапфир–23», которая готовится для установки на истребителе МиГ–23. Третью записку Толкачев передал в середине мая 1978 г. американке, садившейся автомашину. Но и на этот раз никто на встречу к нему не пришел.
В июне 1978 г. он передал той же самой женщине четвертую записку в которой указал свою фамилию и описал параметры РЛС «Сапфир–23 Д». Одновременно указал, что встреч он больше назначать не будет, а ждет телефонного звонка через два дня в обеденный перерыв с 12 часов до 12 часов 30 минут.
В это время между резидентом ЦРУ в Москве Г. Хэтэуэйем и директором ЦРУ С. Тернером велась по средствам шифртелеграмм большая переписка. Руководитель ЦРУ стоял на том, что все эти подброшенные письма есть не что иное, как грубая провокация КГБ. Резидент возражал и настаивал на телефонном звонке автору записок. В конце концов директор ЦРУ разрешил своей резидентуре пойти на контакт с таинственным незнакомцем.
Откликнулось ЦРУ на предложения Толкачева только в сентябре 1978 г. Поздним вечером ему на квартиру позвонил американский разведчик и на отличном русском языке сообщил о заложенном для него в старой замасленной рукавице контейнера за будкой телефона-автомата у магазина «Башмачок», расположенного в доме № 25 по Трехгорному переулку.
Толкачев сразу вышел из дома, быстро нашел телефонную будку, просунул за нее руку, ощупью нашел рукавицу, взял ее и ушел. По пути, вытащив целлофановый прозрачный пакет с материалами, выбросил рукавицу.
На следующий день в обеденный перерыв, придя домой, достал пакет с антресоли и ознакомился с содержимым. В пакете свернутые в трубку находились: 20 листов с цифровыми группами (коды), 2 конверта с адресами на получателя и написанными письмами на английском языке, 2 листа тайнописной копирки, инструкция в виде небольшой книжечки с мелким шрифтом на русском языке, небольшой лист бумаги с вопросами и 500 рублей.
Так Толкачевым была установлена связь с американской разведкой в Москве. Работа с ним велась сотрудниками ЦРУ, находившимися в Москве под прикрытием посольства США, а также специально приезжавшими в советскую столицу их разведчиками. Он был включен в агентурную сеть ЦРУ, в которой состоял почти 8 лет.
В сентябре 1978 г. Толкачев направил в США на подставные адреса ЦРУ 2 письма с тайнописным зашифрованным сообщением о разработках в НИИ радиостроения радиолокационных станций для самолетов-перехватчиков и радиолокационных головок самонаведения для ракет класса «воздух-воздух», а также данные о характеристике самолетных РЛС «Сапфир–23 Д» и ее серийном производстве. Отправив эти письма, он стал ждать ответных действий американской разведки.
И вот 9 января 1979 г. в 21 час 30 минут раздался телефонный звонок и мужской голос поинтересовался у Толкачева не может ли он через 15–20 минут встретиться с ним на том же месте у магазина «Башмачок», где в сентябре 1978 г. он получал материалы. Толкачев давно ждал этого звонка, поэтому ответил утвердительно. Мужчина попросил, чтобы он в левой руке держал белого цвета книгу, а сам он одет в темное пальто с коричневым меховым воротником и меховую шапку.
Через 15 минут Толкачев с книгой в белой обложке в левой руке подходил к знакомому телефонному автомату, около которого стоял мужчина лет 53–55, выше среднего роста, плотного телосложения в темном зимнем пальто, с пушистым воротником коричневого цвета и меховой шапке. Они поздоровались и, разговаривая, как два хорошо знакомых, пошли по улице Заморенова. Дошли до сквера в районе Краснопресненской заставы, погуляли по нему и расстались. Вся первая личная конспиративная встреча Толкачева с американским разведчиком длилась минут 20, но за это время он успел рассказать ему свою биографию, о семье, работе и месте жительстве.